二氧化鈦在自然界中存在三種同素異形態，即金紅石型、銳鈦型和板鈦型三種，它們的性質是有差異的。其中，金紅石型二氧化鈦是三種變體中最穩定的一種，即使在高溫下也不發生轉化和分解。金紅石型二氧化鈦的晶型屬于四方晶系，品格的中心有一個鈦原子，其周圍有6個氧原子，這些氧原子正位于八面體的棱角處，兩個二氧化鈦分子組成一個晶胞。其品格常數為a＝0.4584nm，c＝0.2953nm。
銳鈦型二氧化鈦的晶型也屬于四方晶系，由四個二氧化鈦分子組成一個晶胞，其晶格常數a＝0.3776nm，c＝0。9486nm。銳敏型二氧化鈦僅在低溫下穩定，在溫度達到6l0度時便開始緩慢轉化為金紅石型，730度時這種轉化已有較高速度，915度可完全轉化為金紅石型。
板鈦型二氧化鈦的晶型屬于斜方晶系，六個二氧化鈦分子組成一個晶胞，其晶格常數a＝0.545nm，b＝0.918nm，c＝0.515nm。板鈦型二氧化鈦是不穩定的化合物，在加溫高于650度時則轉化為金紅石型。
二氧化鈦是一種白色粉末，它的主要物理性能如下：密度(g/cm—3)：金紅石型4.261(0度)，4.216(25度)；銳鈦型3.881(0度)，3.849(25度)；板鈦型4.135 (0度)，4.105(25度)。
莫氏硬度：金紅石型7～7.5，銳鈦型5.5～6，板鈦型5.5～6。
熔點：金紅石型1842度土6度，熔化熱811J/g。
沸點：金紅石型2670度士30度，氣化熱(3762土313)J/g。
蒸氣壓：固體1g(p/Pa)＝2007—4.03×106T—1；
液體1g(p/Pa)＝1094—2.09×106T—1。
介電常數：金紅石型粉末110～117；銳敏型粉末48；板鈦型自然晶體78；金紅石單晶，a軸170，c軸86。
電導率(S/m)：金紅石單晶30度時a軸10—10，c軸10—13； 227度時a軸10—7，c軸10—6。
磁化率：(0.078—0.089)×10—6。
折光率：金紅石型2.71，銳鈦型2.52。
摩爾比熱容(200～1000度，J/(mol.K))：金紅石型55.2，銳敏型54.2。
