膜結構的突出特點之一就是它形狀的多樣性，曲面存在著無限的可能性。對于氣承式空氣膜結構來說，充氣之后的曲面主要是圓球面或圓柱面，可能沒有太多的選擇余地。而對于以索或骨架支承的膜結構，其曲面就可以隨著建筑師的想象力而任意變化。
膜結構形狀的千變萬化突出地表現在歷年各國舉行的博覽會上。在這些博覽會上，大大小小的展覽館，無不以新穎奇特的造型來吸引觀眾，而膜結構就能用來達到這樣的目的。例如1985年在日本茨城縣舉行的國際科學技術博覽會，入口就是以五顏六色的膜材構成的拱形大門。在眾多的展覽館中膜結構尤為奪目，像火鳥館以鋼梁與索組成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美國館以高聳的桅桿懸掛銀白色的屋面。電力館以中央塔架懸吊25個尖頂帳篷，夜晚通過燈光的反射宛如燃燒的火焰。其他象在候車亭、電話亭、走廊、廁所上也都出現了用膜材構成形式各異的建筑小品，蔚為大觀。
就形狀而言，對建筑師說來是至關重要的。采用一般結構的建筑物，其形狀往往是先由建筑師確定。膜結構則不同，首先它的變形比一般結構要大一些，其次它的形狀是在施工過程中逐步形成的，有一個形狀確定的問題，需要結構工程師的參與。要確定在初始荷載下結構的初始形狀，即結構體系在膜自重(有時還有索)與預應力作用下的平衡位置。在初步設計階段，先按建筑要求設定大致的幾何外形，然后對膜面施加預應力使之承受張力，其形狀也相應改變，經過不斷調整預應力，最后就可得到理想的幾何外形和應力分布狀態。
懸索結構中的索網與膜結構一樣也有形狀確定問題，像1968年蒙特利爾博覽會的德國館和1972年慕尼黑奧運會主體育場都有特殊的形狀需要確定，
當時只有借助于縮尺模型來解決。早期的膜結構經常使用這種方法，從最簡單的肥皂膜到織物或鋼絲。由于小尺度模型的測量誤差不足以保證表面幾何形狀的正確性，因此只能作為全尺度建筑形狀的參考。但這仍然是為設計師提供直觀形象的有效手段。隨著計算機技術的不斷進步，膜結構的形狀越來越依賴于計算機。在膜結構設計理論中，還有一個特殊的研究課題——找形。為了找到合理的幾何形狀，
膜結構的初始形狀可以通過計算機的多次迭代來確定。
膜結構設計打破了先建筑后結構的傳統做法，要求建筑設計與結構設計緊密結合。在設計過程中，建筑師和結構工程師應該坐在一起確定建筑物的形狀，并進行必要的計算和分析。此時，設計建筑的平面形狀、立面要求、支點設置、材料類型和預應力尺寸將成為相互制約的因素。完美的設計是上述矛盾和統一的結果。
