"Titanium" ialah sebuah lagu house[12] serta tarian urban.[13] Menurut helaian muzik yang diterbitkan di Musicnotes.com oleh Sony/ATV Music Publishing, lagu itu ditetapkan dalam masa biasa dengan tempo 126 rentak seminit. Lagu tersebut berada dalam E♭ major, dengan janjang kord E♭–B♭–Cm. Korus dan pecahan ditetapkan dalam kekunci C minor, dengan janjang kord A♭–B♭–Gm–Cm. Rentang julat vokal Sia dari not G3 hingga not E♭5.[14]

Menurut Andrew Gregory dari The Daily Telegraph, intro lagu itu menampilkan "sedikit perisa 80-an".[12] Al Fox dari BBC Music menulis bahawa pada lagu itu, Sia mempunyai "vokal ala mandolin yang berhantu."[15] Cameron Adams dari Herald Sun memanggil mereka "peg-persegi",[16] manakala Melinda Newman dari HitFix membandingkan vokalnya dengan vokal oleh Fergie.[17] Genevieve Koski dari The AV Club menulis bahawa pada lagu itu, Sia "menguruskan untuk mengekalkan kepalanya di atas gelombang sintesis... dengan meningkatkan vokalnya agar sepadan dengan rentak yang begitu besar."[18] David Jeffries dari Allmusic membandingkan lagu itu dengan muzik Coldplay.[19]