三氧化钛铁作为一种复合氧化物，其核心组成元素是钛(Ti)和铁(Fe)，同时以氧(O)作为关键的配位元素形成稳定结构。在化学式FeTiO3的表述中，可以清晰看到这三种元素以1:1:3的摩尔比精确配比，这种矿物学上被称为钛铁矿的化合物，其晶体结构属于三方晶系(R3c空间群)。需要注意的是在实际地质样本中，常含有镁(Mg)或锰(Mn)等微量元素替代部分铁原子，形成类质同象系列。
从材料科学角度看，三氧化钛铁中的钛元素呈现+4价态，铁元素则保持+2价，氧原子以-2价与金属离子形成八面体配位。这种独特的电子构型使得该物质具有显著的介电性能(相对介电常数15-30)和适中的磁化率(约5×10⁻⁴ emu/g)。特别值得注意的是，某些工业级产品可能含有痕量的铝(Al)或硅(Si)杂质，这些通常源自矿石的天然伴生成分。
在高温合成过程中(通常需要1200-1400℃烧结)，三氧化钛铁会保持严格的化学计量比，此时元素分布可通过X射线荧光光谱(XRF)精确测定。而对于光伏领域应用的纳米级材料，表面修饰可能会引入碳(C)或氮(N)等轻元素，这些额外元素虽然不改变本体结构，但对材料的光催化性能产生重要影响。
