二氧化钛（TiO2）有三种矿物形式，金红石、锐钛矿和板钛矿，其中金红石相和锐钛矿相都是四方晶系，常温下稳定；板钛矿相属斜方晶系，晶体结构很不稳定，目前在工业上没有太多实用价值。
二氧化钛用于光催化
二氧化钛是一种两性氧化物，它在一定的环境条件下既可以发生氧化反应也可以发生还原反应。当被能量大于禁带宽度（也称带隙，Eg）的光照射时，低能价带（VB）上的电子（e-）受到激发跃迁至高能导带（CB），在价带上留下带正电荷的空穴（h+），使得光生电子和空穴发生分离。
导带上的光生电子是良好的还原剂，把氧气分子（O2）还原生成超氧负离子（•O2-），价带上的光致空穴则是强氧化剂，将水分子（H2O）氧化生成羟基自由基（•OH），进而这些负离子、自由基可将环境中的有机污染物降解成水和二氧化碳。
二氧化钛光催化机理示意图
目前文献普遍认为锐钛矿相二氧化钛的光催化活性明显好于金红石相二氧化钛。这主要是由于：
1、锐钛矿相二氧化钛的禁带宽度Eg为3.2eV（对应着387.5nm紫外光的能量），稍大于金红石相二氧化钛 (Eg=3.0-3.1eV)，锐钛矿相二氧化钛产生的电子-空穴对的氧化还原能力略强；
2、锐钛矿相二氧化钛晶格中含有较多的缺陷和位错，能产生更多的氧空位来捕获电子，致使光生电子和空穴较易分离，而金红石相二氧化钛对氧气的吸附能力相对较弱。
因其优异的光催化的氧化还原性能，纳米二氧化钛成为光触媒产品（具有光催化功能的光半导体材料）的典型代表。将纳米二氧化钛涂布于基材表面，在紫外光及可见光的作用下，能产生强烈的催化降解功能，有效地降解空气中有毒有害气体，有效杀灭多种细菌并将其释放出的毒素分解及无害化处理，同时还具备除甲醛、除臭、抗污、净化空气等功能。
二氧化钛用于涂料颜料、食品添加剂
以白色颜料为主要使用目的的二氧化钛，又被称为“钛白粉”，被誉为“世界上最好的白色颜料”。他在白色颜料中折射率最高，因此在白色颜料中有着最高的遮盖力（不透明度）、消色力等光学性能，同时白度亮、光泽高、色散好，相比立德粉，用量更省，使用寿命更长。
钛白粉在涂料领域的占有率达到了90%以上，在油墨、塑料橡胶的添加剂、造纸、化学纤维纺织、化妆品等行业中也被广泛使用。
此外，钛白粉还可在食品添加剂中用于增白和填充。钛白粉在2010年被国际癌症研究机构列入2B类致癌物（即对人可能致癌），并在2020年被欧盟法规确认。普遍认为二氧化钛的致癌性是在纳米级别，且钛白粉目前是食品行业中唯一可用的白色素，经过欧洲涂料制造商的努力，2022年11月，钛白粉被欧盟从致癌物分类中剔除。
但这并不意味着一大众的防晒霜、防晒喷雾等化妆品足够安全，用于化妆品中的二氧化钛正是有致癌风险的纳米级二氧化钛，纳米级二氧化钛会在肺部沉积，引起病变，在使用化妆品的时候还是要多多注意。