Denne type polymermembran har en asymmetrisk mikroporøs struktur, bestående af to lag: et øvre funktionelt lag med tætte mikroporer og evnen til at opsnappe store molekyler, med en porestørrelse på 1-20 nm; og et lavere støttelag med en stor åben-porestruktur, som øger membranstyrken.
Det funktionelle lag er relativt tyndt, hvilket resulterer i en høj vandflux. Generelt fremstilles først forskellige typer moduler, såsom rør-, plade-, spiralviklede og kapillartyper, og derefter samles flere moduler sammen til påføring for at øge filtreringsarealet. Ultrafiltreringsprocessen er i det væsentlige en mekanisk sigteproces, og størrelsen af membranoverfladeporerne er den vigtigste kontrollerende faktor. Ultrafiltreringsmembraner kan adskille opløste stoffer (polymerer eller opløsninger) med en størrelse på 1-30 nm. De stoffer, det frastøder, er relateret til membranens egenskaber, molekylernes form, størrelse, fleksibilitet og driftsbetingelser. Tidlige ultrafiltreringsmembraner brugte cellofan- og nitrocellulosemembraner.