Aquest tipus de membrana de polímer té una estructura microporosa asimètrica, que consta de dues capes: una capa funcional superior amb microporus densos i la capacitat d'interceptar molècules grans, amb una mida de porus d'1 a 20 nm; i una capa de suport inferior amb una gran-estructura de porus oberts, que augmenta la resistència de la membrana.
La capa funcional és relativament prima, donant lloc a un alt flux d'aigua. En general, primer es fabriquen diversos tipus de mòduls, com ara tipus tubulars, plaques, enrotllats en espiral i capil·lars, i després s'ajunten diversos mòduls per aplicar-los per augmentar l'àrea de filtració. El procés d'ultrafiltració és essencialment un procés de tamisat mecànic, i la mida dels porus de la superfície de la membrana és el factor de control més important. Les membranes d'ultrafiltració poden separar soluts (polímers o solucions) amb una mida d'1 a 30 nm. Les substàncies que repel·leix estan relacionades amb les propietats de la membrana, la forma, la mida, la flexibilitat de les molècules i les condicions de funcionament. Les primeres membranes d'ultrafiltració utilitzaven membranes de cel·lofana i nitrocel·lulosa.