La plus importante utilisation actuelle est la fabrication d'engrais azotés. L'urée contient 46% d'azote.
L'urée (qualité alimentaire) est employée dans l'alimentation des ruminants (à l'exclusion des autres animaux). En effet, les micro-organismes présents dans le rumen sont capables d'utiliser cette source d'azote pour synthétiser des acides aminés utilisables par le ruminant. L'urée est employée notamment pour équilibrer les régimes du point de vue des micro-organismes du rumen (PDIE vs PDIN dans le système PDI français ou OEB dans le système DVE hollandais, notamment). Bien utilisée, elle peut contribuer à optimiser le fonctionnement du rumen. Son emploi est particulièrement intéressant en complément de fourrages pauvres en azote (paille, certains fourrages en zone subtropicale...). Il faut toutefois éviter les excès par rapport aux besoins, sinon, il se produit une augmentation des rejets azotés de l'animal et, dans les cas graves, des problèmes métaboliques (alcalose ruminale). Dans l'Union européenne et depuis 2003, l'urée alimentaire a le statut d'additifs nutritionnel (obligation d'étiquetage et d'enregistrement des fournisseurs, notamment). Certaines filières de qualité différenciée interdisent son emploi.
L'urée est utilisée en chimie industrielle pour la synthèse de plastiques thermodurcissables, les « résines urée-formol » (urée formaldéhyde, sigle UF).
La solution aqueuse à 32.5% d'urée, commercialisée sous le nom AdBlue, est également de plus en plus utilisée sur les véhicules à moteur Diesel (autobus, poids lourds, automobiles, etc.) afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx). La solution aqueuse à 32.5% d'urée est injectée dans le conduit d'échappement en amont du catalyseur SCR (Selective Catalitical Reducer). En raison de la température élevée, l'urée se décompose en ammoniac et en gaz carbonique. L'ammoniac réagit à son tour avec les oxydes d'azote pour former, par une réaction de réduction, de l'azote (N2) et de l'eau. Par exemple, avec le monoxyde d'azote (NO), la réaction peut s'écrire :
L'objectif de cette technologie est de permettre aux véhicules de respecter les normes internationales sur les émissions émises à l'échappement des véhicules (ex : EURO4 et EURO5).
En biochimie, l'urée est utilisée en solution aqueuse à forte concentration (4 à 8 mol.L-1) comme agent dénaturant pour détruire la structure spatiale des acides nucléiques et des protéines. Elle est en particulier utilisée dans la technique de l'électrophorèse pour analyser l'ADN ou l'ARN.
L'urée est utilisé dans l'alimentation comme additif alimentaire comme agent améliorant (Numéro E927b). Son usage est limité car il possède une saveur amère.
L'urée est filtrée par le glomérule rénal et réabsorbée partiellement (environ 40 %) par le tubule rénal. L'intensité de sa réabsorption dépend largement du niveau de la concentration urinaire (réabsorption plus forte quand la concentration est plus élevée).
Une insuffisance rénale augmente donc sensiblement sa concentration dans le sang (urémie). Cependant son dosage est moins fiable que celui de la créatinine pour évaluer la fonction rénale car la variation de son taux dépend également d'autres facteurs : il augmente en particulier lors des régimes riches en protéines et dans certaines autres situations.