二氧化鈦為n型半導體，基本分子結構為閃鋅晶格，以鈦原子為中心，外接6個氧原子，形成配位數為6的八面體結構。

二氧化鈦有四個結晶型態，板鈦礦(brookline)、銳鈦礦(anatase)、金紅石(rutile)與TiO2-B(Bronze)，其中銳鈦礦與金紅石最被工業界廣泛使用。

以下是結晶型態的介紹:

(1)板鈦礦(brookline) : 為斜方晶相，是二氧化鈦最低溫的相，是銳鈦礦結晶過程前的過渡相。

(2)銳鈦礦(anatase) : 為四方晶相，是二氧化鈦低溫相，使用在光觸媒應用的晶型。密度3.89g/cm3，能隙為3.2eV。加熱到600℃以上，會轉變為金紅石(rutile)相。具有吸收紫外光功能。

(3)金紅石(rutile) :為四方晶相，是二氧化鈦高溫相，也是最穩定的相。使用在塗料顯白、靶材等應用的晶型。密度4.25g/cm3，能隙為3.0eV。具有吸收紫外光功能。

(4)TiO2-B(Bronze) : 是在1980年Marchand團隊用離子交換法合成一個新的二氧化鈦結晶相 ，密度3.73g/cm3。因為具有較銳鈦礦與金紅石開放的結構，有利於鋰離子傳遞，是常見用於鋰離子的電極材料選擇之一。