Στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα κυριαρχεί το άζωτο καθώς και υδρογονάνθρακες, που του δίνουν μια θολή πορτοκαλί απόχρωση. Οι υδρογονάνθρακες είναι η βάση για τα αμινοξέα που είναι απαραίτητα για να δημιουργηθεί ζωή. Περίπου 500 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνειά του, η ατμόσφαιρα τελειώνει σε μια άλω φορτισμένων σωματιδίων.
Η ατμόσφαιρα του Τιτάνα πιστεύεται από τους επιστήμονες, ότι μοιάζει πολύ σε μορφή με αυτή της Γης στα πρώτα στάδια δημιουργίας της, πριν εμφανιστεί δηλ. ζωή στον πλανήτη. Ο Τιτάνας όμως είναι πολύ μακρύτερα από τον Ήλιο, κι έτσι οι χαμηλές θερμοκρασίες στην επιφάνειά του δεν επιτρέπουν (απ' όσο ξέρουμε) την εμφάνιση κάποιας μορφής ζωής.
Η επιφάνεια του Τιτάνα, όπως φαίνεται (με τεχνητά χρώματα) παρατηρημένη στο υπέρυθρο και υπεριώδες από το Κασσίνι. Σε αυτά τα μήκη κύματος, η ατμόσφαιρα του δορυφόρου είναι διαφανής.Η επιφάνεια του Τιτάνα, όπως φαίνεται (με φυσικά χρώματα) παρατηρημένη στο υπέρυθρο και υπεριώδες από το Κασσίνι. Σε αυτά τα μήκη κύματος, η ατμόσφαιρα του δορυφόρου είναι διαφανής
Βασιζόμενοι σε στοιχεία από μετρήσεις ραντάρ που έγιναν από τη Γη, οι επιστήμονες πίστευαν επίσης μέχρι πρόσφατα ότι στον Τιτάνα ίσως υπήρχαν ωκεανοί υδρογονανθράκων. Το 2004, η διαστημοσυσκευή Κασσίνι, τόσο με μετρήσεις από το διάστημα όσο και από τα στοιχεία του εξερευνητικού σκάφους Χόιχενς, που προσεδαφίστηκε στην επιφάνεια του δορυφόρου, μας έδειξε ότι, σχεδόν σίγουρα, ωκεανοί δεν υπάρχουν. Οι σκοτεινές περιοχές που παρατηρούνται στο υπέρυθρο, αποδείχτηκε μετά από μετρήσεις και με το ραντάρ του σκάφους ότι είναι τεράστιες εκτάσεις γεμάτες με αμμόλοφους και σκεπασμένες, ίσως, από κάποιο οργανικό υλικό. Τον Σεπτέμβριο του 2006 επίσης, το Κασσίνι εντόπισε λίμνες υδρογονανθράκων κοντά στον βόρειο πόλο του δορυφόρου, οι οποίες πιστεύεται ότι τροφοδοτούν και την ατμόσφαιρά του με διάφορες οργανικές ενώσεις. Λίμνες επίσης ανακαλύφθηκαν και στον νότιο πόλο του δορυφόρου. Οι λίμνες στις δύο περιοχές παρουσιάζουν ασυμμετρία. Σύμφωνα με μια θεωρία που προτάθηκε τον Νοέμβριο του 2009, για το φαινόμενο αυτό οφείλεται η εκκεντρότητα της τροχιάς του Κρόνου.[1]
Αν και στον Τιτάνα υπάρχουν γεωλογικοί σχηματισμοί που πιθανόν προκλήθηκαν από τη ροή κάποιου υγρού, το πιθανότερο είναι ότι στον Τιτάνα σχηματίζονται απλώς εποχιακές ή ημιμόνιμες λίμνες και ρυάκια από τη βροχή υδρογονανθράκων που πέφτει κατά καιρούς. Μπορεί κάποτε ο Τιτάνας να ήταν ένας «υγρός» τόπος, τη συγκεκριμένη χρονική στιγμή που τον παρατηρούμε όμως είναι, κατά τα φαινόμενα, ξερός. Οι βροχές είναι σπάνιες, καθώς υπολογίζεται ότι σε ένα μέρος βρέχει μία φορά κάθε χίλια χρόνια, άλλα όποτε αυτό συμβαίνει, οι βροχές είναι καταρρακτώδεις. Το 2004 και το 2010, το Κασσίνι παρατήρησε ότι μέρος του δορυφόρου κοντά στον ισημερινό σκοτείνιασε, κάτι που θεωρήθηκε αποτέλεσμα μιας πλημμύρας που κάλυψε 500.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα, έκταση ίση με αυτή της Ισπανίας.[2] Μια από τις εποχιακές λίμνες είναι η Ontario Lacus, η μεγαλύτερη λίμνη στο νότιο ημισφαίριο του δορυφόρου. Η λίμνη είναι ρηχή και ανά περιόδους το γεμίζει με υδρογονάνθρακες που αναβλύζουν από τον πυθμένα της.[3]
Στους πόλους του Τιτάνα όμως, λόγω της ασθενούς θερμότητας που δέχονται κάθε καλοκαιρία, σχηματίζονται νέφη από την εξάτμιση μεθανίου, τα οποία στη συνέχεια δίνουν ισχυρές βροχές.[4] Από την άλλη, οι τροπικοί είναι πολύ πιο ξηροί, όμως το Κασίνι εντόπισε μια μεγάλη τροπική λίμνη με έκταση 2.400 τετραγωνικά χιλιόμετρα και βάθος περίπου ένα μέτρο. Θεωρείται ότι η λίμνη τροφοδοτείται υπόγεια με μεθάνιο, το οποίο στη συνέχεια εξατμίζεται.[5] Η λίμνη μπορεί να είναι η αρχή του κύκλου του μεθανίου (αντίστοιχου του κύκλου του νερού) στον Τιτάνα, το σημείο στο οποίο το μεθάνιο φτάνει στην επιφάνεια.[6] Η λίμνη φαίνεται να προσφέρει μια όαση στους τροπικούς του Τιτάνα, όπου πιστεύεται ότι βρίσκονται θίνες και είναι υποψήφια για την παρουσία ζωής.[7]
Η μελέτη επιφάνειας του Τιτάνα με ραντάρ τον Δεκέμβριο του 2010 από το Κασίνι στην περιοχή Sotra Facula έδειξε την παρουσία μορφών που μοιάζουν με τα ηφαίστεια της Γης. Αποτελούταν από δύο κορυφές ψηλότερες από ένα χιλιόμετρο με μεγάλους κρατήρες και δακτυλοειδείς ροές. Πρόκειται για την πιο χαρακτηριστική ηφαιστειακή μορφολογία που έχει βρεθεί σε παγωμένο δορυφόρο.[8] Θεωρείται ότι είναι αποτέλεσμα κρυοηφαιστειακής δραστηριότητας, όπου το αντίστοιχο της λάβας είναι νερό πλούσιο σε αμμωνία, ενώ είναι πιθανό να ανανεώνει και το μεθάνιο στην ατμόσφαιρα του δορυφόρου.[9] Το γεγονός ότι η λευκαύγεια των περιοχών που έχουν εντοπιστεί ηφαιστειακά χαρακτηριστικά έχει αλλάξει υποστηρίζει περισσότερο τη θεωρία της κρυοηφαιστειότητας, δηλαδή ηφαιστείων τα οποία εκτοξεύουν υγρό νερό, το οποίο δεν παγώνει εξαιτίας της ανάμιξης του με αμμωνία.[10]
Η μέση θερμοκρασία στην επιφάνειά του είναι -178oC και η ατμοσφαιρική πίεση είναι 60% μεγαλύτερη από αυτή της Γης (1,6 atm). Η μέση θερμοκρασία του Τιτάνα επιτρέπει στο μεθάνιο να υπάρχει σε υγρή, αέρια και στερεή μορφή, όπως το νερό στη Γη, και παρουσιάζει σε αντιστοιχία με το υδρολογικό κύκλο, τον κύκλο του μεθανίου.
