四氯化鈦是無色密度大的液體，樣品不純時常為黃或紅棕色。與四氯化釩類似，它屬于少數在室溫時為液態的過渡金屬氯化物之一，其熔沸點之低與弱的分子間作用力有關。大多數金屬氯化物都為聚合物，含有氯橋連接的金屬原子，而四氯化鈦分子間作用力卻主要為弱的范德華力，因此熔沸點不高。
TiCl4分子為四面體結構，每個Ti4+與四個配體Cl?相連。Ti與稀有氣體氬具有相同的電子數，為閉殼層結構。因此四氯化鈦分子為正四面體結構，具有高度的對稱性。
TiCl4可溶于非極性的甲苯和氯代烴中。研究表明溶解在某些芳香烴的過程中涉及類似于[(C6R6)TiCl3]+配合物的生成。四氯化鈦可與路易斯堿溶劑（如 THF）放熱反應，生成六配位的加合物。 對于體積較大的配體，產物則是五配位的TiCl4L。
除了釋放出腐蝕性的氯化氫之外，存放TiCl4時還會生成鈦氧化物及氯氧化物，粘住使用過的塞子和注射器。