Rantaian molekul TPU membentuk struktur blok linear yang terdiri daripada segmen lembut-poliol oligomerik (dengan berat molekul 1,000–6,000)-dan segmen keras yang terdiri daripada diisosianat dan pemanjang rantai. Segmen lembut membentuk 60% hingga 95% daripada komposisi untuk memastikan keanjalan, manakala segmen keras membentuk-titik penghubung silang fizikal melalui ikatan hidrogen.
TPU berasaskan poliester-menggunakan bahan mentah seperti polietilena adipat (PEA-2000), manakala TPU berasaskan polieter-menggunakan polytetrahydrofuran ether glycol (PTMG). Perbezaan dalam tahap pemisahan fasa antara kedua-dua sistem ini menyebabkan jenis berasaskan poliester-mempamerkan kekuatan tegangan yang 30% hingga 50% lebih tinggi daripada jenis berasaskan polieter.