Powłoki cienkowarstwowe są wykonane ze związków dielektrycznych, metalicznych i tlenkowych, które są powszechnie stosowane w przemyśle półprzewodników, w wojsku oraz w urządzeniach optycznych. Procesy produkcyjne zazwyczaj obejmują fizyczne osadzanie z fazy gazowej, takie jak osadzanie przez rozpylanie lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej, gdzie do osadzania folii stosuje się reakcje chemiczne i plazmę o wysokiej energii. Ogólnie uważa się, że powłoki sklasyfikowane jako cienkowarstwowe mają grubość maksymalnie jednego mikrona lub 1,000 nanometrów i mogą być ferromagnetyczne, ceramiczne lub o pewnym stopniu przewodzącego lub izolującego materiału.
Powłoki optyczne są jednym z głównych obszarów produkcji powłok cienkowarstwowych i zapewniają ważne zastosowania, takie jak filtry laserowe i ochrona oczu w chirurgii laserowej w medycynie. Powłoki antyrefleksyjne są szeroko stosowane w obiektywach stosowanych w aparatach, teleskopach i odtwarzaczach dysków cyfrowych (DVD) w celu zmniejszenia normalnego odbicia światła, które zmniejszyłoby wydajność takiego sprzętu. Niektóre powłoki cienkowarstwowe w dziedzinie optyki są również wielowarstwowe, aby oddziaływać w różny sposób z różnymi długościami fal światła i są stosowane w monitorach komputerowych, okularach o właściwościach odblaskowych i antyrefleksyjnych oraz kamerach telewizyjnych. Odblaskowe powłoki optyczne są lustrzane i zwykle wykonane z aluminium, złota lub srebra, gdzie są wykorzystywane w kserokopiarkach, skanerach kodów kreskowych oraz przemysłowych i wojskowych laserach o dużej mocy.
Cienkie warstwy ceramiczne są używane do powlekania narzędzi skrawających narażonych na stres chemiczny i cieplny, w zastosowaniach medycznych ze względu na ich właściwości obojętne oraz w wielu innych obszarach. Podłoża do akumulatorów litowo-jonowych, które składają się z ceramicznych powłok cienkowarstwowych, są używane w przemyśle elektronicznym od 2011 r. i zostały udoskonalone przez ponad dekadę badań w Oak Ridge National Laboratory w USA. Ceramiczna podstawa układu scalonego to platforma dla wszczepionych baterii, która może działać w szerokim zakresie temperatur, od -4° do 284° Celsjusza (od -20° do 140° Fahrenheita) i mieć dowolny kształt lub rozmiar, co daje obwody szersze zastosowania niż te o konstrukcji konwencjonalnej. Ich zdolność do działania w razie potrzeby w temperaturze do 536 stopni Fahrenheita (280° Celsjusza) sprawia, że są przydatne w czujnikach, kartach inteligentnych i wszczepialnych urządzeniach medycznych, takich jak defibrylatory i stymulatory neuronowe.
Wrażliwe na barwnik ogniwa słoneczne (DSSC) również opierają się na osadzeniu cienkiej warstwy dwutlenku tytanu, TiO2, chociaż zwykle mają one grubość od 5 do 20 mikronów. Technologia ta polega na połączeniu cienkich powłok z materiałów ceramicznych, półprzewodnikowych i optycznych i została zaprojektowana tak, aby wytrzymać 20 lat ekspozycji na światło słoneczne. Projekty półprzewodnikowe elektroniki tych ogniw słonecznych dają nadzieję na uczynienie ich bardziej opłacalnymi i łatwiejszymi w produkcji niż standardowe ogniwa słoneczne na bazie krzemu.