二氧化钛在自然界中存在三种同素异形态，即金红石型、锐钛型和板钛型三种，它们的性质是有差异的。其中，金红石型二氧化钛是三种变体中最稳定的一种，即使在高温下也不发生转化和分解。金红石型二氧化钛的晶型属于四方晶系，品格的中心有一个钛原子，其周围有6个氧原子，这些氧原子正位于八面体的棱角处，两个二氧化钛分子组成一个晶胞。其品格常数为a＝0.4584nm，c＝0.2953nm。
锐钛型二氧化钛的晶型也属于四方晶系，由四个二氧化钛分子组成一个晶胞，其晶格常数a＝0.3776nm，c＝0。9486nm。锐敏型二氧化钛仅在低温下稳定，在温度达到6l0度时便开始缓慢转化为金红石型，730度时这种转化已有较高速度，915度可完全转化为金红石型。
板钛型二氧化钛的晶型属于斜方晶系，六个二氧化钛分子组成一个晶胞，其晶格常数a＝0.545nm，b＝0.918nm，c＝0.515nm。板钛型二氧化钛是不稳定的化合物，在加温高于650度时则转化为金红石型。
二氧化钛是一种白色粉末，它的主要物理性能如下：密度(g/cm—3)：金红石型4.261(0度)，4.216(25度)；锐钛型3.881(0度)，3.849(25度)；板钛型4.135 (0度)，4.105(25度)。
莫氏硬度：金红石型7～7.5，锐钛型5.5～6，板钛型5.5～6。
熔点：金红石型1842度土6度，熔化热811J/g。
沸点：金红石型2670度士30度，气化热(3762土313)J/g。
蒸气压：固体1g(p/Pa)＝2007—4.03×106T—1；
液体1g(p/Pa)＝1094—2.09×106T—1。
介电常数：金红石型粉末110～117；锐敏型粉末48；板钛型自然晶体78；金红石单晶，a轴170，c轴86。
电导率(S/m)：金红石单晶30度时a轴10—10，c轴10—13； 227度时a轴10—7，c轴10—6。
磁化率：(0.078—0.089)×10—6。
折光率：金红石型2.71，锐钛型2.52。
摩尔比热容(200～1000度，J/(mol.K))：金红石型55.2，锐敏型54.2。
