"Titanium" ditulis oleh Sia, David Guetta, Giorgio Tuinfort dan Afrojack. Pengeluaran juga dikendalikan oleh Guetta, Tuinfort dan Afrojack.[2] Selepas menemui muzik Sia dalam talian, Guetta memilihnya untuk muncul dalam album studio kelimanya, Nothing but the Beat.[3] Guetta memberitahu orang dalam dari Los Angeles, "Saya benar-benar kagum dengan Sia ... Ini telah membuatkan saya lebih ingin tahu untuk mengkaji muziknya lebih kerana saya sangat kagum. Saya mempunyai orang terbesar dalam album dan dia mempunyai profil yang berbeza, lebih seperti artis indie, dan ia menjadikan lagunya lebih istimewa, ia membuatkan ia menonjol saya rasa."[3]

Lagu ini pada asalnya menampilkan vokal daripada artis rakaman Amerika Mary J. Blige, dengan versi lagunya bocor dalam talian pada Julai 2011.[4][5] Dalam temu bual dengan News.com.au, Guetta bercakap tentang kebocorannya, berkata, "Anda tidak sepatutnya tahu tentang itu ... Saya lebih suka tidak bercakap mengenainya."[6] Sia merakamkan demo lagu itu, yang kemudiannya dihantar kepada Blige dan artis lain.[6] Akhirnya, Guetta memutuskan untuk kekal dengan versinya.[6] Beliau menjelaskan, "Kali pertama saya mendengar apa yang Sia lakukan, kerana dia tidak berada di studio bersama saya, saya jatuh cinta dengannya. ... Saya tidak mahu memberikannya kepada orang lain; ia adalah sempurna seperti itu. Ia bukan sahaja tentang betapa besarnya anda di Amerika, ia juga mengenai lagu dan suaranya."[6] Penyanyi pop Amerika Katy Perry ialah orang pertama yang ditawarkan lagu itu, tetapi menolaknya kerana beliau merasakan mesejnya terlalu mirip dengan lagunya "Firework".[7][8] Orang dalam memberitahu Take 40 Australia, "Jadi lagu 'Titanium' itu, Sia menulisnya untuk Katy, tetapi [Katy] tidak mahu membuat lagu dengan Guetta ... "[7] Menurut pengurus Sia, Jonathan Daniel dari Crush Management, Sia menulis lagu untuk penyanyi R&B Amerika Alicia Keys.[9] Guetta mempertimbangkan untuk mendekati penyanyi wanita lain untuk merakam lagu itu, namun Perry menasihatkannya untuk mengekalkan Sia di trek. Guetta akhirnya mengikut cadangan ini.[8] Sia kemudiannya mendedahkan bahawa Guetta meletakkan vokalnya pada lagu itu tanpa persetujuannya, dan beliau juga tidak dimaklumkan bahawa vokalnya akan dikeluarkan:[10]

"Titanium" telah dikeluarkan untuk muat turun digital pada 8 Ogos 2011, sebagai yang pertama daripada empat single promosi daripada album, sebagai sebahagian daripada kira detik iTunes Store untuk keluaran album.[4][11]