Wanneer titanium wordt gemengd met zuurstof, ondergaat het een proces dat oxidatie wordt genoemd, waarbij verschillende titaniumoxiden worden gevormd. Het meest voorkomende titaniumoxide is titaniumdioxide (TiO2), een witte, onoplosbare verbinding. Andere titaniumoxiden zijn titaniummonoxide (TiO), titaniumtrioxide (Ti2O3) en titaniumsesquioxide (Ti3O5).

De vorming van titaniumoxiden hangt af van de temperatuur, de zuurstofconcentratie en andere factoren. Bij kamertemperatuur reageert titanium langzaam met zuurstof en vormt een dunne oxidelaag op het oppervlak. Deze oxidelaag beschermt het metaal tegen verdere oxidatie. Bij hogere temperaturen reageert titanium echter sneller met zuurstof, waardoor dikkere oxidelagen of zelfs bulk titaniumoxiden worden gevormd.

Titaanoxides zijn belangrijke materialen met diverse toepassingen. Vooral titaandioxide wordt veel gebruikt als wit pigment in verven, kunststoffen, papier en andere producten. Het wordt ook gebruikt als ingrediënt voor zonnebrandcrème, als katalysator bij chemische reacties en als onderdeel van keramiek. Andere titaniumoxiden hebben toepassingen in de lucht- en ruimtevaart-, automobiel- en biomedische industrie.

Over het geheel genomen leidt de reactie tussen titanium en zuurstof tot de vorming van titaniumoxiden, die vanwege hun unieke eigenschappen belangrijke praktische toepassingen hebben.