水性雙組分聚氨酯木器漆的成膜機理與一般的聚合物乳液涂料如丙烯酸乳液的成膜有很大的區別，同時與溶劑型聚氨酯涂料的成膜也不完全相同。一般乳液涂料的固化成膜為單一無理過程，分散相粒子的玻璃化溫度較低，在水分揮發后就形成緊密堆積的結構，并在毛細管壓力作用下凝結成膜。在溶劑型聚氨酯木器漆體系中，含羥基樹脂和固化劑均以分子形式溶解在有機溶劑中，形成的體系是均相的，固化反應在分子之間進行，因而固化反應進行得比較安全，所形成得涂膜也是均相的。
水性雙組分聚氨酯木器漆為多相成膜，首先當大部分水分蒸發后，乳液粒子相互接觸，形成緊密堆積的結構，殘余的水分和固化劑分子則處在乳液粒子的間隙處。隨著水分的進一步蒸發，乳液粒子開始凝結，形成更為緊密的六邊形排列結構。與此同時，固化劑分子擴散到乳液粒子的界面及其內部發生交聯固化反應。該固化成膜機理也可解釋為水性聚氨酯體系由水包油的狀態向油包水轉變。