Η θερμική επεξεργασία τιτανίου είναι η βιομηχανική διαδικασία εφαρμογής εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών στο τιτάνιο, έτσι ώστε το μέταλλο να γίνεται πιο λειτουργικό για κατασκευαστικούς σκοπούς. Οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι η ανόπτηση και η ανακούφιση από το στρες. Η ανόπτηση χρησιμεύει κυρίως για να κάνει το τιτάνιο να αντιστέκεται στη θραύση ενώ αυξάνει την ολκιμότητα του ή την ικανότητά του να τεντώνεται σε λεπτό σύρμα. Η μέθοδος ανακούφισης από την πίεση, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιείται κυρίως για τη μείωση της πίεσης που υφίσταται το τιτάνιο κατά τη συγκόλληση ή το σχηματισμό.
Τυπικά απαιτείται είτε ανόπτηση είτε ανακούφιση από το στρες για να καταστεί το τιτάνιο χρησιμοποιήσιμο. Το τιτάνιο που δεν ανακουφίζεται από την πίεση μπορεί να ραγίσει μετά τη συγκόλληση ή το σχηματισμό, ενώ αυτό που προορίζεται για εκτεταμένη επεξεργασία μηχανών συνήθως δεν αντέχει σε τόσο βαριά επεξεργασία χωρίς πρώτα να ανόπτεται. Θερμοκρασίες έως 1,100°F (593°C) για την ανακούφιση από το στρες και 1,450°F (788°C) για ανόπτηση δεν είναι ασυνήθιστες
Η μόλυνση είναι ένα κρίσιμο ζήτημα στη θερμική επεξεργασία τιτανίου. Τα καταστήματα κατασκευής έχουν συχνά ξεχωριστούς χώρους για το τιτάνιο, καθώς αυτό το μέταλλο είναι ιδιαίτερα επιρρεπές σε μόλυνση από αέρα, υγρασία, σκόνη και λίπος. Άλλα μέταλλα υψηλής απόδοσης, όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας και τα κράματα με βάση το νικέλιο, δεν απαιτούν τόσο αυστηρή προσοχή στην καθαριότητα καθώς δεν είναι τόσο ευαίσθητα όσο το τιτάνιο στη μόλυνση κατά τη διαμόρφωση ή τη συγκόλληση.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το καθαρό στοιχειακό τιτάνιο χρησιμοποιείται σπάνια στη σύγχρονη κατασκευή καθώς είναι ένα μάλλον μαλακό μέταλλο από μόνο του. Τα κράματα τιτανίου, μείγματα τιτανίου με άλλα μέταλλα, επιτρέπουν μέγιστες ιδιότητες σκλήρυνσης. Ωστόσο, κάθε συγκεκριμένο κράμα τιτανίου θα ανταποκριθεί διαφορετικά στη διαδικασία θερμικής επεξεργασίας.
Το πρώτο διαστημικό λεωφορείο της Εθνικής Αεροναυπηγικής και Διαστημικής Διοίκησης (NASA) βοήθησε το κοινό να συνειδητοποιήσει περισσότερο τη χρήση κραμάτων τιτανίου και θερμικής επεξεργασίας τιτανίου, καθώς το λεωφορείο χρησιμοποίησε μονωτικά πλακίδια θερμικής ασπίδας τιτανίου για να παραμείνει ισχυρό σε υψηλές θερμοκρασίες. Από το πρώτο διαστημικό λεωφορείο, η NASA συνέχισε να ενσωματώνει κράματα τιτανίου στα σχέδιά τους λόγω των ισχυρών ιδιοτήτων τους που δεν λιώνουν. Οι κατασκευαστές ποιοτικών σπαθιών και μαχαιριών βασίζονται επίσης στη δύναμη αυτών των κραμάτων. Είναι ακόμη πιο δυνατά για το βάρος τους από τον χάλυβα και είναι επίσης ανθεκτικά σε διαβρωτικά όπως οξέα, διαλύτες και βάσεις.