现如今的水利工程是土工合成材料的主要应用领域之一，水工结构（大坝和渠道等）与水相互作用，而水是自然环境中最具破坏力的因素之一。土工合成材料的使用可以减弱或调节水工结构物与水之间的相互作用，增加水工结构物的稳定性，延长其使用寿命。

土工合成材料在水利工程中主要有以下用途：大坝与渠道防渗。利用土工膜减小或阻止水的渗透。河道与渠道防护。用土工膜减缓或阻止流水的侵蚀。大坝与大堤的排水与反滤。应用土工织物或土工网提供堤坝的排水路径，土工织物的过滤作用可阻止土颗粒的流失。

江河大堤的加筋。应用土工格栅对大堤本身或对其基础进行加固。土工膜几乎不透水，经常被用在大坝的迎水面上以形成水力屏障。除了新建大坝采用土工膜防渗外，外贴土工膜是渗漏严重的旧混凝土大坝除险加固的有效手段。

土工膜可直接暴露在外，也可采用诸如混凝土板覆盖进行保护。裸露型的土工膜会因紫外线引起的降解作用而缩短寿命，但用裸露土工膜修复要比设置覆盖型土工膜容易得多。被覆盖的土工膜容易损坏，比如被坚硬材料刺穿。

为了预防土工膜的刺穿，可在其下方（需要时包括上方）铺设一层土工织物作为缓冲衬垫。土工膜的渗漏主要发生在存在缺陷的接缝处和被刺穿的孔洞处，因此必须通过严格的施工质量控制措施以减少施工缺陷，并通过施工质量检测，发现缺陷并及时补修。

为了保护水工结构物，经常在土工膜后设置土工网或土工织物-土工网组成的排水系统进行排水，渗漏的水被收集储存并通过设置在大坝中或大坝后的导管排到水库中。