Este tipo de membrana polimérica tiene una estructura microporosa asimétrica, que consta de dos capas: una capa funcional superior con microporos densos y capacidad de interceptar moléculas grandes, con un tamaño de poro de 1 a 20 nm; y una capa de soporte inferior con una gran estructura de poros abiertos-, que aumenta la resistencia de la membrana.
La capa funcional es relativamente delgada, lo que da como resultado un alto flujo de agua. Generalmente, primero se fabrican varios tipos de módulos, tales como tubulares, de placa, enrollados en espiral y capilares, y luego se ensamblan múltiples módulos para su aplicación con el fin de aumentar el área de filtración. El proceso de ultrafiltración es esencialmente un proceso de tamizado mecánico, y el tamaño de los poros de la superficie de la membrana es el factor de control más importante. Las membranas de ultrafiltración pueden separar solutos (polímeros o soluciones) con un tamaño de 1 a 30 nm. Las sustancias que repele están relacionadas con las propiedades de la membrana, la forma, el tamaño, la flexibilidad de las moléculas y las condiciones de funcionamiento. Las primeras membranas de ultrafiltración utilizaban membranas de celofán y nitrocelulosa.