[7]​ Tiene dos formas alotrópicas[8]​ y cinco isótopos naturales que van desde 46Ti hasta 50Ti, siendo 48Ti el más abundante de ellos.

[12]​ El titanio no es tan duro como algunas graduaciones de acero tratado, y su trabajo a máquina requiere ciertas precauciones, ya que puede presentar uniones defectuosas de no emplearse los métodos correctos para enfriarlo.

Su estructura cristalina en estado alfa tiene forma hexagonal y se torna en una de forma cúbica centrada en el cuerpo al pasar al estado beta, a una temperatura de 882 °C (1155 K).

[12]​ El calor específico de su forma alfa se incrementa drásticamente al calentarse hasta la temperatura de transición para después bajar y mantenerse relativamente constante en la forma beta, sin afectarle la temperatura.

[12]​ Al igual que para el circonio y el hafnio, existe una fase adicional omega, termodinámicamente estable a altas presiones pero metaestable a presión ambiente, que generalmente es hexagonal o trigonal.

[19]​ Su aparición se produce principalmente en los minerales anatasa, brookita, ilmenita, perovskita, rutilo y titanita.

[18]​ Los depósitos más significativos de ilmenita se encuentran en Australia, Canadá, China, la India, Mozambique, Nueva Zelanda, Noruega, Ucrania y Sudáfrica.

[9]​ El titanio se torna radiactivo cuando es bombardeado con deuterio, emitiendo principalmente positrones y rayos gamma.

[23]​ El titanio adopta habitualmente una geometría de coordinación octaédrica en sus compuestos, con la notable excepción tetraédrica del TiCl4.

[34]​ El tetracloruro de titanio TiCl4[35]​ es un líquido volátil que en el aire provoca una hidrólisis emitiendo un humo blanco.

[42]​[43]​[44]​ Sobre el mismo tiempo, Franz-Joseph Müller von Reichenstein produjo una substancia semejante que tampoco fue capaz de identificar.

[46]​ Los procesos conocidos para la extracción del titanio desde los diversos minerales que lo contienen resultan complicados y costosos.

[48]​ Ocho años después refinó este proceso empleando magnesio y sodio, en el que sería conocido como el método de Kroll.

Tras una purificación extensiva por destilación fraccionada, el TiCl4 se reduce con magnesio derretido a 800 °C (1070 K) en una atmósfera de argón.

Posteriormente el titanio se separa del cloruro de sodio mediante un lavado con agua.

[70]​[71]​ El titanio no puede soldarse sin primero chaparse en un metal que presente una facilidad de soldadura,[72]​ y puede ser trabajado a máquina con el mismo tipo de equipos y procesos que el acero inoxidable.

[3]​ Son frecuentes también las aleaciones con aluminio, vanadio, cobre, hierro, manganeso, molibdeno y otros metales.

[18]​ El polvo de TiO2 es químicamente inerte, resiste el deterioro por luz solar y es muy opaco.

Esto permite darle un color blanco brillante a los químicos marrones o grises que forman la mayoría de los plásticos domésticos.

[5]​ La pintura hecha con dióxido de titanio presenta una buena resistencia a las temperaturas extremas, y soporta los ambientes marinos.

[10]​ Además de ser un pigmento importante, también se utiliza generalmente en los protectores solares.

[4]​[5]​ Para estas aplicaciones se emplean aleaciones de titanio con aluminio, circonio, níquel y vanadio, entre otros elementos.

[77]​ En cuanto a las aplicaciones para motores, el titanio se emplea en rotores, compresores y componentes de sistemas hidráulicos.

[92]​ Es habitual el uso del titanio en los diseños de joyería, gracias a su durabilidad y propiedades inertes que hacen de este metal una buena elección para evitar posibles alergias y resistir al agua.

Las piezas hechas con esta aleación adquieren una dureza equivalente a las de 14 quilates, aumentando así su durabilidad.

[94]​ Debido a su inercia y capacidad de adquirir varios colores, el titanio es un metal habitual en los piercings corporales.

[96]​ Su uso en monedas de curso no legal y medallas conmemorativas es algo menos habitual.

[21]​ Sin embargo, el titanio sí tiene tendencia a acumularse biológicamente en tejidos que contienen sílice,[102]​ y un estudio de 2011 indicó una posible conexión entre el titanio y el síndrome de la uña amarilla.

[21]​ Las especies de hongos Marasmius oreades y Hypholoma capnoides pueden bioconvertir el titanio en suelos contaminados con este metal.

[106]​ El titanio también puede llegar a arder cuando se pone en contacto una superficie que aún no consiguió el estado de oxidación con oxígeno líquido.