Apesar de ambos passarem por tratamentos térmicos, a principal diferença está no tratamento térmico.

O leite pasteurizado passa pelo tratamento térmico denominado pasteurização, o qual consiste em submeter o leite cru às condições específicas de tempo e temperatura, chamadas de "binômio tempo/temperatura."

Existem dois tipos de pasteurização: a lenta e a rápida. Entretanto, ambas tem o objetivo de destruir os microrganismos patogênicos presentes no leite. A pasteurização lenta é realizada durante um maior tempo com menores temperaturas. Normalmente, é utilizado o binômio tempo/temperatura de 65ºC por 30 minutos. Na pasteurização rápida, o leite é submetido à temperaturas mais altas por um menor intervalo de tempo, sendo comumente utilizado 72°C por 15 segundos.

No leite UHT, é utilizado o tratamento térmico de ultra pasteurização, no qual o leite é submetido a temperaturas superiores à pasteurização rápida, por um período ainda menor de tempo. Nesse caso, o binômio tempo/temperatura utilizado é de 130°C a 145°C durante dois a quatro segundos.

Os tipos de tratamento explicam, por exemplo, a maior vida de prateleira do leite UHT e o fato de poder estar a temperatura ambiente antes de ser consumido.