鈦在空氣中的反應，通常情況下是和氧、氮、氫這三種非金屬元素反應，它們的反應過程和溫度有著密切的關聯。
鈦在空氣中和氧反應，低于100℃時是很慢的，500℃時也只是表面被氧化。隨著溫度的升高，表面氧化膜開始在鈦中溶解，氧開始向金屬內部品格擴散，但于700℃時氧還沒有大量進入金屬內部晶格。超過700℃時，氧向金屬內部的擴散加速，在高溫下表面氧化膜失去保護作用。
鈦與氧的反應取決于鈦存在的形態和溫度。粉末鈦在常溫下的空氣中，可因靜電、火花、摩擦等作用下發生劇烈的燃燒或爆炸。但是，致密鈦在常溫下的空氣中是很穩定的。 致密鈦在空氣中受熱時，便開始與氧發生反應，最初氧進入鈦表面晶格中，形成一層致密的氧化薄膜，這層表面氧化膜可防止氧向內部擴散，具有保護作用，因此鈦在500℃以下的空氣中是穩定的。其表面氧化膜的顏色與生成溫度有關，在200℃以下為銀白色，300℃時為淡黃色，400℃時為金黃色，500℃時為藍色，600℃時為紫色，700～800℃時為紅灰色，800—900℃時為灰色。 在純氧中，鈦與氧發生激烈反應的起始溫度比在空氣中低，約在500～600℃時鈦便在氧氣中燃燒。
常溫下鈦不與氮發生反應，但在高溫下，鈦是能在氮氣中燃燒的少數金屬元素之一，鈦在氮氣中燃燒溫度約高于800度熔融鈦與氮的反應十分激烈。鈦與氮的反應，除了可生成鈦的氮化物(Ti3N、TiN等)外，還形成Ti—N固溶體。當溫度在500-550度時，鈦開始明顯地吸收氮，形成間隙固溶體；當溫度達到600度以上時，鈦吸氮的速度增加，在Ti—N固溶體中，由于氮以氮化鈦形式進入鈦晶格中，從而使鈦相變溫度增加，氮也是鈦的穩定劑。于1050度下氮在中最大溶解度(質量分數)為7%，于2020度下在鈦中最大溶解度(質量分數)為2%，但鈦吸氮的速度比其吸氧的速度慢得多，因此鈦在空氣中主要是吸氧，吸氮則是次要的。
鈦與氫反應生成TiH、TiH2化合物和Ti-H固溶體。氫能很好地溶于鈦中，1mol鈦幾乎可吸收2mol的氫。鈦吸氫速度和吸氫量，與溫度和氫氣壓力有關。常溫下鈦吸氫量小于0.002%。當溫度達到300度時，鈦吸氫速度增加；500～600度時達到最大值。其后隨溫度升高，鈦吸氫量反而減少，當達到1000度時鈦吸收的氫大部分被分解。氫氣壓力增加，可使鈦吸收氫的速度加快，并增加吸氫量，相反在減少壓力倩況下便可使鈦脫氫。因此鈦與氫的反應是可逆的。鈦與氫反應在表面上不形成薄膜，因為氫原子體積小，可很快向鈦晶格深處擴散形成間隙固溶體，氫在鈦中的溶解，可使鈦相變溫度降低，氫是Ti的穩定劑。