Badania atmosfery tego ciała niebieskiego są szczególnie interesujące ze względu na jej podobieństwo do ziemskiej atmosfery sprzed około czterech miliardów lat. Grubość atmosfery Tytana szacuje się na od 200 do 880 km. Tytan nie ma własnego pola magnetycznego, a magnetosfera Saturna chroni go przed wiatrem słonecznym tylko częściowo.
Pomimo ograniczonego dostępu światła, na powierzchni Tytana panuje wyraźny cykl dobowy. W ciągu dnia Słońce nagrzewa powierzchnię, co ma znaczący wpływ na jego atmosferę. W atmosferze jest kilka wyraźnie oddzielonych warstw przypominających atmosferę Ziemi. Najniższa część podzielona jest na dwie warstwy graniczne. Grubość niższej zmienia się w cyklu dziennym, co powodowane jest ogrzewaniem powierzchni Tytana. Grubość wyższej warstwy granicznej zmienia w dłuższym cyklu i wpływa ona na klimat panujący na Tytanie.
thumb|Przypuszczalna budowa wewnętrzna Tytana
Budowa wewnętrzna Tytan jest zaliczany do księżyców lodowych, jako że składa się w dużej mierze z lodu wodnego. Pod kilkukilometrowej grubości lodową skorupą znajduje się prawdopodobnie warstwa ciekłej wody, przypominająca podpowierzchniowe oceany na Europie i Ganimedesie.