เมมเบรนโพลีเมอร์ประเภทนี้มีโครงสร้างพรุนขนาดเล็กไม่สมมาตร ประกอบด้วยสองชั้น: ชั้นการทำงานด้านบนที่มีไมโครพอร์หนาแน่น และความสามารถในการสกัดกั้นโมเลกุลขนาดใหญ่ โดยมีขนาดรูพรุน 1–20 นาโนเมตร และชั้นรองรับด้านล่างที่มีโครงสร้างรูพรุนเปิดขนาดใหญ่- ซึ่งจะเพิ่มความแข็งแรงของเมมเบรน
ชั้นฟังก์ชันค่อนข้างบาง ส่งผลให้มีการไหลของน้ำสูง โดยทั่วไป โมดูลหลายประเภท เช่น แบบท่อ แบบแผ่น แบบเกลียว และแบบคาปิลลารี จะถูกประดิษฐ์ขึ้นในขั้นแรก จากนั้นจึงประกอบโมดูลหลายตัวเข้าด้วยกันเพื่อใช้เพื่อเพิ่มพื้นที่การกรอง กระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันโดยพื้นฐานแล้วเป็นกระบวนการกรองเชิงกล และขนาดของรูพรุนบนพื้นผิวเมมเบรนเป็นปัจจัยควบคุมที่สำคัญที่สุด เยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันสามารถแยกตัวถูกละลาย (โพลีเมอร์หรือสารละลาย) ที่มีขนาด 1–30 นาโนเมตร สารที่ขับไล่นั้นสัมพันธ์กับคุณสมบัติของเมมเบรน รูปร่าง ขนาด ความยืดหยุ่นของโมเลกุล และสภาวะการทำงาน เยื่ออัลตราฟิลเตรชันในระยะเริ่มแรกใช้เยื่อกระดาษแก้วและไนโตรเซลลูโลส