As cadeias moleculares do TPU formam uma estrutura de bloco linear que consiste em segmentos moles-polióis oligoméricos (com peso molecular de 1.000 a 6.000)-e segmentos duros compostos de diisocianatos e extensores de cadeia. Os segmentos moles constituem 60% a 95% da composição para garantir elasticidade, enquanto os segmentos duros formam pontos físicos de reticulação-por meio de ligações de hidrogênio.
O TPU à base de-poliéster utiliza matérias-primas como adipato de polietileno (PEA-2000), enquanto o TPU à base de poliéter-emprega politetrahidrofurano éter glicol (PTMG). A diferença no grau de separação de fases entre esses dois sistemas faz com que o tipo à base de poliéster-exiba uma resistência à tração que é 30% a 50% maior do que a do tipo à base de poliéter.