При увеличении размера пор мембрана становится более проницаема для солей. Существуют мембраны, проницаемые для солей, но не пропускающие частицы, коллоидные фазы и высокомолекулярные соединения. Размер пор мембраны может выбираться таким образом, что они не будут пропускать соединения, начиная с определенного молекулярного веса. Процесс фильтрации с помощью таких мембран называется ультрафильтрацией.

На поверхности таких мембран необходимо соблюдать определенные гидродинамические условия, чтобы смывать с поверхности мембраны накапливаемые твердые частицы, иначе мембрана потеряет способность к разделению. Этот процесс не может быть осуществлен максимально эффективно, и на практике номинальная способность мембраны не пропускать вещества часто маскируется тенденцией частиц образовывать тонкий слой на поверхности мембраны, эффективный размер пор которого может быть меньше.

Ультрафильтрация используется в основном для промышленного разделения, например, удаления дрожжей из пива или при регенерации эмульсий масел, используемых для резки.

Этот процесс также предлагали для предварительной обработки загрязненной воды перед процессом обратного осмоса, но это невыгодно с точки зрения экономики.