水性聚氨酯樹脂的形成像其他聚合物一樣，各種類型的聚氨酯的性質首先依賴于分子量、交聯度、分子間力的效應、鏈節的僵硬度以及規整性。由于在制備聚氨酯時結構可有很多變化，所以它也被認為是多變化的聚合物，可以制成熱塑性的材料，也可制成熱固性的材料。由異氰酸酯的化學反應可知，聚氨酯分子鏈中有特性的氨基甲酸酯基鏈節（——NH-COO——）、縮二脲（——NH——CO——NH——CO——NH——）、脲基甲酸脂（——NH——CO——NH——COO——）等鏈節，以及由原料引進的醚鍵，酯鍵及其他基團。聚氨酯的合成有多種途徑，但廣泛應用的是二元、多元異氰酸酯與末端含羥基的聚氨多元醇或聚醚多元醇進行反應。當只用雙官能團反應物時，可以制造線型聚氨酯：

若用含——OH或含——NCO組分的關能度市三或更多，則生成有支鏈或交聯的聚合物。最普通的交聯反應是多異氰酸酯與三官能度的多元醇反應的交聯結構：

在高溫或低溫而有催化劑存在時，氨基甲酸脂鏈節——NH——CO——NH——COO——和縮二脲——NH——CO——NH——CO——NH一都會導致發生交聯。醇與芳香族異氰酸酯的二聚體也可生成脲基甲酸脂，而導致交聯。