水性聚氨酯樹脂的合成可分為兩個階段。第一階段是預聚合，即低聚二醇、鏈膨脹劑、二異氰酸酯的溶液（或小體）；第二階段是預聚物在水中的分散和鏈膨脹。

采用強制乳化法合成早期水性聚氨酯,首先制備出一定分子量的聚氨酯聚合物,然后在強攪拌下用一定的乳化劑分散于水中。 該方法需要添加乳化劑，乳化劑用量大，乳液粒徑大，分布廣，穩定性差，目前很少使用。

預聚物分散體是首次合成具有 -nco 端基的預聚物，通常加入少量 N-甲基吡咯烷酮調節粘度，高速攪拌將其分散于水中兩個(或更多)胺的溶液中，同時將鏈擴展得到高分子量的水性聚氨酯。
預聚中后期用丙酮或丁酮降粘，中和后在高速攪拌下加水分散，減壓除去溶劑，得到水性聚氨酯分散體。該方法工藝簡單，產品質量好。缺點是溶劑需要回收，回收率低，難以重復使用。目前，國內主要采用這種方法合成普通芳香族水性聚氨酯。