Le titane se présente sous deux formes allotropiques :

• la phase alpha, hexagonale, stable en-dessous de 882 °C
• et la phase bêta cubique centrée, stable au-dessus de 882 °C.

L'addition d'éléments d'alliage favorise l'apparition des différentes phases et leur stabilité dans différents domaines de température.

Les alliages de titane se classent selon trois familles :

• Les alliages alpha sont soudables, conservent de bonnes caractéristiques depuis les températures cryogéniques jusqu'à 500/550 °C et offrent une résistance à la corrosion exceptionnelle. Mais ils sont difficiles à former à froid et les traitements thermiques restent peu efficaces. Ce sont des alliages de fluage souvent utilisés à l'état recuit.
• Les alliages bêta sont résistants à chaud pour des sollicitations de courte durée, soudables, formables à froid mais instables au-dessus de 350 °C et fragiles au-dessous de -70 °C. Les traitements thermiques sont efficaces et ces alliages sont souvent utilisés à l'état recuit ou traité.
• Les alliages alpha-bêta ont des caractéristiques intermédiaires : bonne réponse aux traitements thermiques, stables sous contraintes jusque vers 450/500 °C, moins résistants au fluage, plus faciles à former et plus difficiles à souder et à usiner.

D'une manière générale, les alliages ont une meilleure résistance mécanique et une moins bonne résistance à la corrosion que les nuances de titane non allié appelé aussi commercialement pur (CP). Le TA6V est l'alliage alpha-bêta le plus répandu dans l'industrie du titane. Le T40 et le T60 sont les nuances de titane commercialement pur les plus répandues en usage industriel. Elles se différencient par leur teneur en oxygène et en fer, le T40 étant plus pur que le T60.
Le titane présente, à température élevée, une grande affinité pour l'oxygène, l'azote, le carbone et l'hydrogène. On doit tenir compte de cette caractéristique essentielle dans l'élaboration et les transformations du métal. 

L'oxydation de surface assure une excellente résistance à la corrosion. Cette protection a la particularité de se reproduire naturellement en cas de rayure, ce qui constitue un avantage considérable du titane sur les aciers inox. Mais à haute température la couche superficielle forme une zone polluée en oxygène enrichie en phase alpha. Cette couche extrêmement dure et non ductile provoque la rupture de la pièce par amorce de fissure. Pour le TA6V, cette oxydation est significative à partir de 590°C.
Le titane ne souffre d'aucune corrosion dans l'eau naturelle (y compris l'eau de mer et saumâtre) même à température élevée. Les ions métalliques, les sulfures, les sulfates, les carbonates et les chlorures présents dans l'eau n'affectent pas le titane. Une exposition du titane dans l'eau ou la vapeur d'eau à des températures supérieures à 90 °C provoque un épaississement du film d'oxyde qui réduit les vitesses de corrosion. 

Une vitesse d'écoulement d'eau de mer non chargée de particules solides supérieure à 36 m/s ne provoque aucune érosion du T40. Le titane résiste parfaitement à de nombreux produits chimiques, en particulier à ceux qui contiennent du chlore. Mais il résiste mal à certaines solutions chaudes ou concentrées (HCl, H2SO4, acides organiques).
Le titane possède d'autre part une bio-compatibilité très supérieure à celle des autres métaux.