Le catene molecolari del TPU formano una struttura a blocchi lineare costituita da segmenti morbidi-polioli oligomerici (con un peso molecolare di 1.000–6.000)-e segmenti duri composti da diisocianati ed estensori di catena. I segmenti morbidi costituiscono dal 60% al 95% della composizione per garantire elasticità, mentre i segmenti duri formano punti di reticolazione fisica-attraverso i legami idrogeno.
Il TPU a base di poliestere- utilizza materie prime come il polietilene adipato (PEA-2000), mentre il TPU a base di polietere- impiega politetraidrofurano etere glicole (PTMG). La differenza nel grado di separazione di fase tra questi due sistemi fa sì che il tipo a base di poliestere- mostri una resistenza alla trazione superiore dal 30% al 50% rispetto a quella del tipo a base di polietere.