פילוסופיית העיצוב של ממברנות אולטרה-פילטרציה סובבת בעיקרה סביב שלושה קווים עיקריים: "החלפת טיפול כימי במסננת פיזית, השגת הפרדה-ביעילות גבוהה עם צריכת אנרגיה נמוכה, והשגת יכולת הסתגלות הנדסית באמצעות מודולריזציה". המטרה היא לשפר את כלכלת המערכת וקיימותה תוך הבטחת איכות מים יציבה.
ממברנות סינון אולטרה משיגות שמירה פיזית של מוצקים מרחפים, קולואידים, חיידקים ומולקולות אורגניות גדולות באמצעות מבנה נקבוביות אחיד, במקום להסתמך על תגובות כימיות. גישת תכנון זו מפחיתה את הסיכון לזיהום משני והופכת את איכות הקולחים ליציבה יותר וניתנת לשליטה, ומהווה בסיס חיוני לטיפול מודרני במים מבוססי-ממברנות שיחליף תהליכים מסורתיים.
חומרי ממברנה משתמשים בדרך כלל בפולימרים-מולקולריים גבוהים כגון PVDF או PES, ושינוי הידרופילי, אופטימיזציה של מבנה הנקבוביות וטיפול פני השטח מפחיתים הידבקות מזהמים. במקביל, סיבים חלולים או וילון -כמו סידורים במבנה המודול מבטיחים פיזור נוזלים אחיד יותר ומגדילים את אזור הסינון האפקטיבי, ובכך משיגים יכולת ייצור מים גבוהה עם צריכת אנרגיה נמוכה יותר.
ברמת היישום ההנדסי מודגש "מודולריזציה ושילוב מערכות". מערכות סינון אולטרה משתמשות בדרך כלל בעיצובי מודול ממברנה סטנדרטיים שניתן לשלב ולהרחיב בגמישות בהתאם לקנה המידה הטיפולי, וניתן להשתמש בהם בשילוב עם תהליכים כגון שטיפה לאחור, ניקוי אוויר ואוסמוזה הפוכה. פילוסופיית עיצוב זו הופכת אותם למתאימים הן לאספקת מים עירונית והן לשימוש חוזר בשפכים תעשייתיים, מה שמאפשר פריסה מהירה ותפעול יציב בתרחישים שונים.