TPU:n molekyyliketjut muodostavat lineaarisen lohkorakenteen, joka koostuu pehmeistä segmenteistä-oligomeerisistä polyoleista (molekyylipainoltaan 1 000–6 000)- ja kovista segmenteistä, jotka koostuvat di-isosyanaateista ja ketjunjatkajista. Pehmeät segmentit muodostavat 60–95 % koostumuksesta elastisuuden varmistamiseksi, kun taas kovat segmentit muodostavat fysikaalisia ristisitoutumiskohtia vetysidoksen kautta.
Polyesteri{0}}pohjaisessa TPU:ssa käytetään raaka-aineita, kuten polyeteeniadipaattia (PEA-2000), kun taas polyeetteri-pohjaisessa TPU:ssa polytetrahydrofuraanieetteriglykolia (PTMG). Näiden kahden järjestelmän välinen ero faasien erotusasteissa johtaa siihen, että polyesteri{7}}pohjaisella tyypillä on 30–50 % suurempi vetolujuus kuin polyeetteripohjaisen tyypin.