多层膜的结构取决于组元的原子结构差异。当组元表面能差异较小时，多层膜能形成密排面相互平行的织构；在此基础上，如果组元原子半径比满足一定条件，多层膜能在界面处外延生长，则能形成超晶格结构。比如，Cu与Ni具有相同的晶体结构、晶格常数接近，在周期小于某一临界值时，多层膜能形成完全共格界面；而当周期大于临界值时，多层膜不能保持完全共格的界面结构，而形成半共格界面。
大量实验结果表明，在一定周期尺度范围内，多层膜的强度(或硬度)不仅高于多层膜的强度平均值，而且随周期的减小而增大，表现出明显的强化效应.另一方面，当多层膜的周期降低到约为几个纳米的临界值时，多层膜的强度不再随周期的减小而增大，而是达到饱和。此时界面结构是决定多层膜塑性变形行为的主导因素。对于fec/fcc结构的共格界面多层膜，由于滑移系在界面处连续，位错穿越此类界面所受阻力主要来自于共格应力；对于fcc/bcc结构的多层膜来说，由于滑移系在界面上不连续，界面本身成为位错滑移的主要阻碍。但是也有例外，Ag/W多层膜的硬度不仅没有随周期减小而增大，反而在周期小于100nm后明显降低，表现出软化现象。可见，纳米多层膜材料的强化机理还需进一步的研究。
纳米多层膜材料的另一个引人注目的性能是：一些组元熔点相差大的多层膜都出现了弹性模量异常增大的现象，如Cu/w和Cu/Nb，其中Cu/W多层膜的弹性模量随周期减小持续增大，在实验研究的周期范围内增幅高达65%，表现出超模量效应。Cu/Nb多层膜的弹性模量虽然没有随周期减小明显增大，但多层膜的弹性模量值比单层Cu膜或Nb膜的弹性模量都大，表现出异常的弹性模量增大。
另外，实验还表明，形成共格界面的Cu/Ni和Cu/Co多层膜，其蠕变深度随周期的减小而降低，说明多层膜的蠕变抗力随周期减小而增大；相反，具有非共格界面的Cu/Nb和Ag/Fe多层膜，其蠕变深度随周期的减小而增大，说明多层膜的蠕变抗力随周期减小而降低。
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