二氧化鈦在自然界有三種結晶形態：金紅石型、銳鈦型和板鈦型。板鈦型屬斜方晶系，是不穩定的晶型，在650℃以上即轉化成金紅石型，因此在工業上沒有實用價值。銳鈦型在常溫下是穩定的，但在高溫下要向金紅石型轉化。其轉化強度視制造方法及煅燒過程中是否加有抑制或促進劑等條件有關。一般認為在165℃以下幾乎不進行晶型轉化，超過730℃時轉化得很快。金紅石型是二氧化鈦最穩定的結晶形態，結構致密，與銳鈦型相比有較高的硬度、密度、介電常數與折光率。金紅石型和銳鈦型都屬于四方晶系，但具有不同的晶格，因而X射線圖象也不同，銳鈦型二氧化鈦的衍射角位于25.5°，金紅石型的衍射角位于27.5°。金紅石型的晶體細長，呈棱形，通常是孿晶;而銳鈦型一般近似規則的八面體。

金紅石型比起銳鈦型來說，由于其單位晶格由兩個二氧化鈦分子組成而銳鈦型卻是由四個二氧化鈦分子組成，故其單位晶格較小且緊密，所以具有較大的穩定性和相對密度，，因此具有較高的折射率和和介電常數及較低的熱傳導性。

二氧化鈦的三種同分異構體中只有金紅石型最穩定，也只有金紅石型可通過熱轉換獲得。天然板鈦礦在650℃以上即轉換為金紅石型，銳鈦礦在915℃左右也能轉變成金紅石型。