二氧化钛是一种无机化合物，其化学式为TiO₂。这意味着它由两种基本元素组成：钛（Ti）和氧（O）。钛元素作为核心金属成分，在化合物中呈+4价态，而两个氧原子则各带-2价，共同形成稳定的八面体晶体结构（金红石型最常见）。需要特别注意的是，尽管天然矿物中可能含有微量杂质，但纯净的二氧化钛在化学本质上仅包含这两种元素。
在实际应用中，二氧化钛常以三种晶型存在，分别是锐钛矿型、板钛矿型和金红石型，它们的区别主要在于原子排列方式而非元素组成。特别是金红石型二氧化钛（密度4.23g/cm³），因其优异的光学性能成为涂料和防晒剂的主要原料。工业级产品可能含有表面处理剂如氧化铝或氧化硅，但这些属于外加成分而非二氧化钛本身的元素构成。
从原子层面来看，每个钛原子与六个氧原子配位形成八面体，这种独特的结构使其具有高达2.7的折射率（波长589nm）。值得注意的是，虽然二氧化钛可能与其他金属氧化物形成固溶体，但纯净的TiO₂永远不会含有除钛、氧之外的其他元素。在光催化领域，刻意掺杂氮(N)或碳(C)等元素属于改性手段，此时产物的准确表述应为"掺杂型二氧化钛"而非纯物质。
