Šāda veida polimēru membrānām ir asimetriska mikroporaina struktūra, kas sastāv no diviem slāņiem: augšējā funkcionālā slāņa ar blīvām mikroporām un spēju pārtvert lielas molekulas, ar poru izmēru 1–20 nm; un apakšējais atbalsta slānis ar lielu atvērtu-poru struktūru, kas palielina membrānas izturību.
Funkcionālais slānis ir salīdzinoši plāns, kā rezultātā rodas liela ūdens plūsma. Parasti vispirms tiek izgatavoti dažāda veida moduļi, piemēram, cauruļveida, plākšņu, spirālveida un kapilāru tipa moduļi, un pēc tam tiek samontēti vairāki moduļi, lai tos varētu izmantot, lai palielinātu filtrēšanas laukumu. Ultrafiltrācijas process būtībā ir mehānisks sijāšanas process, un membrānas virsmas poru izmērs ir vissvarīgākais kontrolējošais faktors. Ultrafiltrācijas membrānas var atdalīt izšķīdušās vielas (polimērus vai šķīdumus) ar izmēru 1–30 nm. Vielas, ko tas atgrūž, ir saistītas ar membrānas īpašībām, formu, izmēru, molekulu elastību un darbības apstākļiem. Agrīnās ultrafiltrācijas membrānās tika izmantotas celofāna un nitrocelulozes membrānas.