Ngoài việc là diễn đàn đàm phán các quy định thương mại, WTO còn hoạt động như một trọng tài giải quyết các tranh chấp giữa các nước thành viên liên quan đến việc áp dụng quy định của WTO. Không giống như các tổ chức quốc tế khác, WTO có quyền lực đáng kể trong việc thực thi các quyết định của mình thông qua việc cho phép áp dụng trừng phạt thương mại đối với thành viên không tuân thủ theo phán quyết của WTO. Một nước thành viên có thể kiện lên Cơ quan Giải quyết Tranh chấp của WTO nếu như họ tin rằng một nước thành viên khác đã vi phạm quy định của WTO .

Hệ thống giải quyết tranh chấp của WTO bao gồm hai cấp: sơ thẩm và phúc thẩm. Ở cấp sơ thẩm, tranh chấp sẽ được giải quyết bởi một Ban Hội thẩm Giải quyết Tranh chấp. Ban hội thẩm này thông thường gồm 3 đên 5 chuyên gia trong lĩnh vực thương mại liên quan. Ban hội thẩm sẽ nghe lập luận của các bên và soạn thảo một báo cáo trình bày những lập luận này, kèm theo là phán quyết của ban hội thẩm. Trong trường hợp các bên tranh chấp không đồng ý với nội dung phán quyết của ban hội thẩm thì họ có thể thực hiện thủ tục khiếu nại lên Cơ quan phúc thẩm. Cơ quan này sẽ xem xét đơn khiếu nại và có phán quyết liên quan trong một bản báo cáo giải quyết tranh chấp của mình. Phán quyết của các cơ quan giải quyết tranh chấp nêu trên sẽ được thông qua bởi Hội đồng Giải quyết Tranh chấp. Báo cáo của cơ quan giải quyết tranh chấp cấp phúc thẩm sẽ có hiệu lực cuối cùng đối với vấn đề tranh chấp nếu không bị Hội đồng Giải quyết Tranh chấp phủ quyết tuyệt đối (hơn 3/4 các thành viên Hội đồng giải quyết tranh chấp bỏ phiếu phủ quyết phán quyết liên quan).

Trong trường hợp thành viên vi phạm quy định của WTO không có các biện pháp sửa chữa theo như quyết định của Hội đồng Giải quyết Tranh chấp, Hội đồng có thể ủy quyền cho thành viên đi kiện áp dụng các "biện pháp trả đũa" (trừng phạt thương mại). Những biện pháp như vậy có ý nghĩa rất lớn khi chúng được áp dụng bởi một thành viên có tiềm lực kinh tế mạnh như Hoa Kỳ hay Liên minh châu Âu. Ngược lại, ý nghĩa của chúng giảm đi nhiều khi thành viên đi kiện có tiềm lực kinh tế yếu trong khi thành viên vi phạm có tiềm lực kinh tế mạnh hơn, chẳng hạn như trong tranh chấp mang mã số DS 267 về trợ cấp bông trái phép của Hoa Kỳ .