Dit type polymeermembraan heeft een asymmetrische microporeuze structuur, bestaande uit twee lagen: een bovenste functionele laag met dichte microporiën en het vermogen om grote moleculen te onderscheppen, met een poriegrootte van 1–20 nm; en een onderste steunlaag met een grote open-poriënstructuur, die de membraansterkte vergroot.
De functionele laag is relatief dun, wat resulteert in een hoge waterflux. Over het algemeen worden eerst verschillende typen modules vervaardigd, zoals buisvormige, plaatvormige, spiraalgewonden en capillaire typen, en vervolgens worden meerdere modules samengevoegd voor toepassing om het filtratiegebied te vergroten. Het ultrafiltratieproces is in wezen een mechanisch zeefproces, en de grootte van de poriën op het membraanoppervlak is de belangrijkste controlerende factor. Ultrafiltratiemembranen kunnen opgeloste stoffen (polymeren of oplossingen) met een grootte van 1–30 nm scheiden. De stoffen die het afstoot, houden verband met de eigenschappen van het membraan, de vorm, de grootte, de flexibiliteit van de moleculen en de bedrijfsomstandigheden. Vroege ultrafiltratiemembranen gebruikten membranen van cellofaan en nitrocellulose.