Zirkonoxid ist neben Aluminiumoxid die am häufigsten eingesetzte Oxidkeramik für strukturelle, insbesondere aber auch funktionelle Anwendungen. Die technisch bedeutendsten Modifikationen des ZrO₂ sind das polykristalline, tetragonale Zirkonoxid (TZP) und das teilstabilisierte Zirkonoxid (PSZ). Auf Grund seiner ungünstigen mechanischen Eigenschaften nur von untergeordneter Bedeutung ist das kubische, vollstabilisierte ZrO₂ (FSZ oder CSZ). Zur Stabilisierung dieser unterhalb von 1170°C thermodynamisch nicht stabilen Phasen werden dem Zirkonoxid Dotierstoffe, vornehmlich Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Yttriumoxid oder Ceroxid, in unterschiedlichen Mengen zugegeben. Dadurch wird die Umwandlung in die bei tiefen Temperaturen stabile monokline Phase vermieden und damit auch der mit diesem Vorgang einhergehende Volumensprung, der ansonsten zur Zerstörung bei Herstellung oder Einsatz führt.

Durch die Zugabe der Stabilisatoren entstehen im Zirkonoxid-Gitter Sauerstofffehlstellen, die die Leitung von Ionen stark begünstigen. Dadurch entsteht bei höheren Temperaturen eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit. Zudem besticht Zirkonoxid durch eine im Vergleich zu anderen Keramiken und Gläsern hohe Bruchzähigkeit, über eine ausgezeichnete Festigkeit, eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie über eine niedrige Wärmeleitfähigkeit.

Auf Grund der guten thermischen Beständigkeit und Warmfestigkeit dient Zirkonoxid bevorzugt als Feuerfestkeramik und als Strukturkeramik im Maschinenbau. Die hohe Bruchzähigkeit erlaubt die Herstellung von Messern und Schneidwerkzeugen mit Zirkonoxid-Klingen. Die Medizin nutzt den Werkstoff für die Anfertigung von Kronen, Brücken, Wurzelstiften und metallfreien Zahnimplantaten sowie zur Herstellung von Hüftgelenkimplantaten. Die Fähigkeit von dotiertem ZrO₂, bei höheren Temperaturen Sauerstoffionen zu leiten, macht man sich zunutze, um Sauerstoffpartialdrücke z.B. in Abgasen (Lambda-Sonde) zu messen. Zirkonoxid wird außerdem auch als Feststoff-Elektrolyt in Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) eingesetzt.