純鈦的抗拉強度為265-353MPa,一般鈦合金為686-1176MPa,目前最高可達1764MPa。鈦合金與許多鋼的強度相當，但比強度鈦合金要好很多，這里的比強度是指材料的強度除以其表觀密度，又被稱為強度-重量比。比強度的國際單位為（N/m2）/(kg/m3)或N·m/kg。材料的抗拉強度與材料表觀密度之比叫做比強度。材料在斷裂點的強度（拉伸）與密度之比。
鈦及鈦合金的壓縮強度不低于其拉伸強度。工業純鈦的壓縮屈服強度和拉伸屈服強度大致相等，而Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金壓縮強度比抗拉強度稍高。剪切強度一般為抗拉強度的60%-70%.鈦和鈦合金薄板的承壓屈服強度是抗拉強度的1.2-2.0倍。
在正常大氣氣氛下，經加工和退火的鈦和鈦合金的持久強度為（0.5-0.65）倍抗拉強度。在缺口狀態（Kt=3.9）進行107次疲勞試驗時，退火Ti-6Al-4V的持久強度為0.2倍抗拉強度。
最高純度級的加工工業純鈦的硬度通常小于120HB，其他純度的加工鈦的硬度為200-295HB。純鈦鑄件的硬度為200-220HB。鈦合金在退火狀態下的硬度值為32-38HRC，相當于298-349HB。鑄態的Ti-5Al-2.5Sn和Ti-6Al-4V合金的硬度為320HB，低間隙雜質Ti-6Al-4V鑄件的硬度為310HB。
工業純鈦的拉伸彈性模量為105-109GPa,大多數鈦合金在退貨狀態下的拉伸彈性模量為110-120GPa。時效硬化的鈦合金比在退火狀態下具有稍高的拉伸彈性模量，抗壓彈性模量等于或者大于拉伸彈性模量。雖然鈦和鈦合金的剛度比鋁和鋁合金的高很多，但僅為鐵的55%。鈦合金的比彈性模量與鋁合金的相當，僅次于鈹、鉬和某些高溫合金。
工業純鈦的扭轉或剪切模量為46GPa,鈦合金的剪切模量為43-51GPa。
為提高鈦合金的強度，增加間隙元素含量，會給合金的抗沖擊性能和斷裂韌度帶來有害的影響。根據鈦合金的種類和狀態的不同，加工工業純鈦的夏氏缺口沖擊強度值為15-54J/cm2,鑄造狀態的為4-10J/cm2。鈦合金在退火狀態下的沖擊強度為13-25.8J/cm2,時效狀態的稍低。鑄造狀態的Ti-5Al-2.5Sn合金的夏氏V形缺口沖擊強度為10J/cm2,Ti-6Al-4V合金的為20-23J/cm2。含氧量愈低的鈦合金加工材，此值愈高。
許多鈦合金具有很高的斷裂韌度，或者說，鈦合金抗裂紋擴展的能力很好。退火狀態的Ti-6Al-4V合金就是一種韌性極好的材料。當缺口集中系數Kt=25.4mm時，缺口抗拉強度與非缺口抗拉強度之比大于1。
鈦合金在高溫下還能保持一定的性能。一般工業鈦合金在540℃溫度下能保持其有用的性能，但僅能供短時間應用，長時間使用的溫度范圍為450-480℃。目前已研制出600℃溫度下使用的鈦合金。鈦合金作為導彈材料可在540℃溫度下長期使用，還可在760℃溫度下短時間使用。
鈦及鈦合金材料在低溫和超低溫下仍能保持其原有的一定的力學性能。隨著溫度的降低，鈦和鈦合金材料的強度不斷增加，而延性逐漸變差。許多退火的鈦合金材料在-195.5℃溫度下還具有足使用的延性和斷裂韌度。含間隙元素特少的Ti-5Al-2.5Sn合金可在-252.7℃溫度下使用。它的缺口抗拉強度與非缺口抗拉強度之比，在-25.7℃溫度下為0.95-1.15。
液氧、液氫和液氟是導彈和宇宙裝置中的重要推進劑。用于制作低溫氣體容器和低溫結構件的材料其所具有的低溫性能是非常重要的。當顯微結構呈等軸狀和間隙元素（氧、氮、氫等）的含量很低時，鈦合金的延性仍在5%以上。大多數鈦合金在-252.7℃溫度下具有較差的延性，而Ti-6Al-4V合金的伸長率還能達到12%。
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