Toplinska obrada titana je industrijski proces primjene ekstremno visokih temperatura na titan tako da metal postaje obradiviji za proizvodne svrhe. Dvije najčešće korištene vrste danas su žarenje i oslobađanje od stresa. Žarenje služi uglavnom kako bi titan bio otporan na lom, dok istovremeno povećava njegovu duktilnost, odnosno sposobnost rastezanja u tanku žicu. Metoda oslobađanja od naprezanja, s druge strane, koristi se uglavnom za smanjenje količine naprezanja kojemu je titan izložen tijekom zavarivanja ili oblikovanja.
Obično je potrebno žarenje ili oslobađanje od naprezanja da bi titan postao upotrebljiv. Titan koji nije oslobođen naprezanja može popucati nakon zavarivanja ili oblikovanja, dok onaj namijenjen za opsežnu strojnu obradu obično neće izdržati tako tešku obradu bez prethodnog žarenja. Temperature do 1,100°F (593°C) za oslobađanje od naprezanja i 1,450°F (788°C) za žarenje nisu neuobičajene
Onečišćenje je ključno pitanje u toplinskoj obradi titana. Proizvođačke radnje često imaju odvojene prostore za titan budući da je ovaj metal posebno sklon kontaminaciji od zraka, vlage, prašine i masti. Ostali metali visokih performansi, kao što su nehrđajući čelik i legure na bazi nikla, ne zahtijevaju tako strogu pozornost na čistoću jer nisu osjetljivi kao titan na onečišćenje tijekom oblikovanja ili zavarivanja.
Važno je napomenuti da se čisti elementarni titan rijetko koristi u modernoj proizvodnji jer je sam po sebi prilično mekan metal. Titanove legure, mješavine titana s drugim metalima, omogućuju maksimalna svojstva stvrdnjavanja. Međutim, svaka posebna titanova legura će drugačije reagirati na proces toplinske obrade.
Prvi Space Shuttle Nacionalne uprave za aeronautiku i svemir (NASA) pomogao je javnosti da postane svjesnija upotrebe titanovih legura i toplinske obrade titana, budući da je shuttle koristio izolacijske pločice od titana toplinskog štita kako bi ostao jak na visokim temperaturama. Od prvog svemirskog shuttlea, NASA je nastavila ugrađivati legure titana u svoje dizajne zbog njihovih čvrstih svojstava koja se ne otapaju. Proizvođači kvalitetnih mačeva i noževa također se oslanjaju na čvrstoću ovih legura. Za svoju su težinu čak i jači od čelika, a otporni su i na korozivne tvari kao što su kiseline, otapala i baze.