Den kemiske formel for titaniumdioxid er TiO₂, som hovedsageligt består af titanium og oxygen. I sin molekylære struktur er titaniumatomer og oxygenatomer kovalent bundet for at danne en stabil oktaedrisk struktur. 1. Der er tre hovedkrystalstrukturer af titaniumdioxid: anatase, rutil og brookit, hvoraf anatase og rutil er de to mest almindelige former.
Krystal struktur
Anatase: Det har en tetragonal krystalstruktur, en høj aktiv overflade og stærk fotokatalytisk aktivitet. Det bruges ofte i fotokatalysatorer og belægninger til visse specielle formål. Den har høj hvidhed og stærk lysspredningsevne, men dens holdbarhed er ikke så god som rutil, dens lysmodstand er dårlig, og den er tydeligvis gul, når temperaturen er højere end 400 grader.
Rutil: Det har en sekskantet krystalstruktur og er den mest stabile krystalform af titaniumdioxid. Det har høj solbestandighed, vejrbestandighed og kemisk stabilitet, højt smeltepunkt, højere densitet, hårdhed og dielektricitetskonstant end anatase, og højere brydningsindeks, som kan give bedre skjuleevne og glans, og er velegnet til udendørs brug og produkter under særlige klimatiske forhold.
Brookite-type: Den er relativt sjælden og findes normalt i mineralsk form i naturen.