金紅石型鈦的主要成分二氧化鈦無毒，化學性質很穩定，常溫下幾乎不與其他物質發生反應，是一種偏酸性的兩性氧化物。與氧、硫化氫、二氧化硫、二氧化碳和氨都不起反應，也不溶于水、脂肪酸和其他有機酸及弱無機酸，微溶于堿和熱硝酸，只有在長時間煮沸條件下才能完全溶于濃度和氫氟酸。

其溶解速度與水合二氧化鈦的煅燒溫度有關，煅燒溫度越高溶解速度越慢。為了加速溶解，可在中加入銨、堿金屬鹽或。這是因為銨等的加入，使的沸點增高，加速了二氧化鈦的溶解。

與酸式鹽（如氫鉀）或焦鹽（如焦鉀）共熔，可轉變微可溶性的氧鈦或鈦：

        TiO2+ 2KHSO4 = TiOSO4 +K2SO4 + H2O

        TiO2+ 4K2S2O7  = Ti(SO4)2 +4K2SO4 + 2SO3

能熔于堿，與強堿（、）或堿金屬碳酸鹽（、碳酸鉀）熔融，可轉化為可溶于酸的鈦酸鹽：

       TiO2 + 4NaOH = Na4TiO4 + 2H2O

在高溫下，如有還原劑（碳、淀粉、石油焦）存在，二氧化鈦能被氯化成四氯化鈦，其反應方程式如下：

TiO2 +2C +2Cl2 = TiCl4 + 2CO

這個反應就是氯化法生產鈦的理論基礎，但是此反應若無還原劑混配，即使在1800℃下，也不會與發生氯化反應。同樣二氧化鈦與氯化硫蒸汽共熱，或與COCl2、CCl4、SiCl4、POCl3等作用，也能被氯化成四氯化鈦。

二氧化鈦在高溫下可被氫、鈉、鎂、鋁、鋅、鈣及某些變價元素的化合物還原成低價鈦的化合物，但很難還原成金屬鈦。如將干燥的通入赤熱的二氧化鈦，可得到Ti2O3；在2000℃、15.2MPa的中，也只能獲得TiO，但是若將金紅石型鈦噴入等離子室中，則可與反應而被還原成金屬鈦。反應方程式如下：

      2TiO2 + H2 = Ti2O3 + H2O

       TiO2 + H2 = TiO+ H2O

      TiO2 + 2H2 = Ti + 2H2O

懸浮在某些有機介質中的二氧化鈦，在光和空氣的作用下，可循環地被還原與氧化而導致介質的被氧化，這種光化學活性，在紫外線照射下銳鈦型鈦尤為明顯。這一性質使二氧化鈦成為某些反應的有效催化劑，它既是某些無機化合物的光致氧化催化劑，又是某些有機化合物的光致還原催化劑。