Dwutlenek tytanu jest najpowszechniejszym i najtrwalszym tlenkiem tytanu. Jest to biały proszek o temperaturze topnienia ok. 1830 °C i temperaturze wrzenia ok. 2500 °C. Ma właściwości amfoteryczne – reaguje ze stężonym kwasem siarkowym, a stapiany z wodorotlenkami, węglanami lub tlenkami innych metali przechodzi w tytaniany. Nie jest rozpuszczalny w wodzie.
W układzie tytan–tlen istnieje szereg niższych tlenków o ogólnym wzorze dla n = 4–10 (fazy Mangnèliego).
charakteryzuje się: pasmem walencyjnym utworzonym przez funkcje falowe 2p jonów tlenu; przerwą energetyczną wynoszącą 3–3,2 eV; pasmem przewodnictwa utworzonym przez funkcje falowe 3d tytanu; wysokim współczynnikiem załamania światła w granicach 2,616–2,903 (wyższy niż dla diamentu); niską absorpcją optyczną w zakresie widzialnym; dobrą stabilnością chemiczną; dużą odpornością chemiczną; wysoką twardością wynoszącą około 6 w skali Mohsa; wysoką przenikalność elektryczną (120 dla rutylu); wysoką rezystancją, czyli oporem elektrycznym.