二氧化钛的化学性质极为稳定，是一种偏酸性的两性氧化物。常温下几乎不与其他元素和化合物作用，对氧、氨、氮、硫化氢、二氧化碳、二氧化硫都不起作用，也不溶于水、稀酸及弱无机酸，在某些碱类的水溶液中的溶解度见下表。
悬浮在某些有机介质中的钛白粉，在光和空气的作用下，可循环地被还原与氧化，而导致介质被氧化，这一种光化学活性，在紫外线照射下锐钛型钛白粉尤为明显，这一种性质使钛白粉既是某些无机化合物的光敏氧化催化剂，又是某些有机化合物光敏还原催化剂。