水性聚氨酯树脂的合成可分为两个阶段。第一阶段是预聚合，即低聚二醇、链膨胀剂、二异氰酸酯的溶液（或小体）；第二阶段是预聚物在水中的分散和链膨胀。

采用强制乳化法合成早期水性聚氨酯,首先制备出一定分子量的聚氨酯聚合物,然后在强搅拌下用一定的乳化剂分散于水中。 该方法需要添加乳化剂，乳化剂用量大，乳液粒径大，分布广，稳定性差，目前很少使用。

预聚物分散体是首次合成具有 -nco 端基的预聚物，通常加入少量 N-甲基吡咯烷酮调节粘度，高速搅拌将其分散于水中两个(或更多)胺的溶液中，同时将链扩展得到高分子量的水性聚氨酯。
预聚中后期用丙酮或丁酮降粘，中和后在高速搅拌下加水分散，减压除去溶剂，得到水性聚氨酯分散体。该方法工艺简单，产品质量好。缺点是溶剂需要回收，回收率低，难以重复使用。目前，国内主要采用这种方法合成普通芳香族水性聚氨酯。