Księżyc pozostaje w rezonansie orbitalnym (3:4) z sąsiednim, dużo mniejszym księżycem Hyperionem.
Atmosfera mały|lewo|upright|Górne warstwy atmosfery Tytana w naturalnych kolorach Niektóre księżyce w Układzie Słonecznym, np. księżyce galileuszowe, mają nikłą otoczkę gazową. Jednak jedynie Tytan ma gęstą atmosferę, gęstszą od ziemskiej. Ma ona pomarańczowy kolor i jest nieprzejrzysta w szerokim zakresie fal elektromagnetycznych (w tym w zakresie widzialnym). Jej istnienie jako pierwszy zasugerował w 1907 roku Josep Comas Solá, a potwierdził w 1944 roku Gerard Kuiper.
Atmosfera składa się głównie z azotu z domieszką argonu, metanu i innych związków organicznych, takich jak etan i acetylen, które powstają w górnych warstwach atmosfery w wyniku oddziaływania na metan słonecznego promieniowania ultrafioletowego. Związki chemiczne w atmosferze Tytana przepuszczają jedynie około 10% promieni słonecznych, przy czym atmosfera jest niemal całkowicie przepuszczalna dla średniej (termalnej) podczerwieni, co prowadzi do obniżenia temperatury powierzchni. Efekt ten jest kompensowany z nawiązką przez efekt cieplarniany, związany z wysoką zawartością metanu. Ciśnienie przy powierzchni wynosi 1,5 bara, czyli jest o 50% większe niż na Ziemi. Podczas lądowania próbnika Huygens zmierzono także prędkość wiatru, która wynosiła 60 km/h.