El titanio es el elemento metálico que posee la mayor proporción de dureza-densidad.8​ Es un metal fuerte, con una baja densidad y alta ductilidad (especialmente en ambientes libres de oxígeno),3​ de color blanco metálico.10​ Su punto de fusión es relativamente alto, sobre los 1650 °C (1920 K), lo que hace que sea útil como metal refractario. Es paramagnético y presenta baja conductividad eléctrica.

Las aleaciones comerciales de titanio, con una pureza del 99,2 %, tienen una tensión de rotura de unos 434 MPa (63 000 psi), equivalente a la de las aleaciones comunes de acero pero con una menor densidad que estas. El titanio tiene una densidad un 60 % mayor que el aluminio, pero es el doble de fuerte que la aleación de aluminio más común 6061-T6.7​ Algunas aleaciones de titanio consiguen una tensión de rotura sobre los 1400 MPa (200 000 psi).11​ Sin embargo, el titanio pierde resistencia cuando se calienta a temperaturas superiores a los 430 °C (703 K).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. Al igual que las hechas de acero, las estructuras de titanio tienen un límite de fatiga que garantiza la longevidad de sus aplicaciones.10​

Es un metal alotrópico dimórfico. 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.13​