钛合金在航空工业上的应用分为飞机结构钛合金和发动机结构钛合金。航天方面，钛合金主要作为火箭、导弹及宇宙飞船等的结构、容器制造材料。飞机结构钛合金使用温度要求一般为350℃以下，要求具有高的比强度、良好的韧性、优异的抗疲劳性能、良好的焊接工艺性能等。发动机用钛合金要求具有高的比强度、热稳定性好、抗氧化、抗蠕变等性能。航天飞行器除航空用钛合金的性能需求外，还要求能够耐高温、抗辐射等。
飞机钛合金结构件主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。俄罗斯的伊尔-76飞机采用高强度BT22钛合金制造起落架和承力梁等关键部件。波音747主起落架传动横梁材料为Ti-6Al-4V，锻件长6.20米、宽0.95米，质量达1545千克。高强高韧Ti-62222S钛合金被用在C-17飞机水平安定面转轴关键部位。F-22飞机发动机所处的后机身区域及机尾隔热罩设计为钛合金薄壁结构，具备良好的耐温性能。
航空发动机方面，钛合金材料的应用领域有压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。现代涡轮发动机结构重量的30%左右为采用钛合金材料制造，钛合金的应用降低了压缩机叶片和风扇叶片的质量，同时还延长了零部件的寿命与检查间隔。波音747-8GENX发动机风扇叶片的前缘与尖部，采用了钛合金防护套，在10年的服役期内仅做过3次更换。
航空用钛合金锻件需要经过铸锭、制坯、模锻、机加等过程，获得所需要的材料组织和性能，往往用其来制造飞机骨架主承力构件和发动机转子等。按照HB5024-1989，大型锻件的外径不小于500毫米。随着飞机和发动机的发展，航空锻件的质量要求越来越高、尺寸越来越大、形状越来越复杂。飞机结构件外形复杂，材料利用率一般不超过10%。F-22飞机四个大型主承力加强框材料为Ti-6Al-4V ELI，模锻件的投影面积为4.06～5.67平方米。近年来，我国航空钛合金的专业化锻造设备有了大幅度提升，现已经可以生产出5平方米级别的钛合金整体锻件。
航天飞行器在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，除需要高超的结构设计技术外，还依赖材料所具有的优异特性和功能。钛合金在制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等方面得到了典型应用。
由于钛合金材料优异的性能，某些航空飞行器的重点部位也采用钛合金材料制造。如进气道唇口是采用钛合金材料3D打印方式制造的零件，实现了结构件与功能件的整体化设计、制造等。
航空航天工业中常用的钛合金紧固件主要包括铆钉、螺栓及特种紧固件等。
美国F-22飞机上使用的钛合金紧固件有：高强钛合金螺栓、环槽钉、光杆锥度高锁螺栓、自夹持螺栓、钛铌铆钉及粘接螺母。我国2014年首飞的国产商用大飞机C919，单机钛合金紧固件用量达20万件以上。钛合金紧固件的开发和应用，为飞机结构的进一步减重提供了可能。波音747飞机紧固件以钛代钢后，其结构重量减轻1814千克。俄罗斯的伊尔-96飞机一架用14.2万紧固件，以钛代钢后减重600千克。
钛合金具有优异的耐腐蚀性能，其正电位与碳纤维复合材料相匹配，可有效防止紧固件的电位腐蚀。Ti45Nb合金是美国航空航天工业大量应用的铆钉材料，该材料在退火状态具有较好的拉伸性能和剪切强度，可替代纯钛铆钉。Ti45Nb材料还具有较高的塑性，适合于复合材料制造用连接铆钉。
近年来，美铝公司开发的Timeta1555钛合金高强螺栓，其固溶时效后抗拉强度达1300MPa以上、双剪切强度大于745MPa，延伸率大于10%。为了紧跟国际高端钛合金紧固件的发展趋势，西工大超晶公司与信阳航天标准件厂联合研发了紧固件专用TB8钛合金棒丝材，用其制造的螺栓抗拉强度高达1280MPa。钛合金紧固件研发是一项非常复杂和长期的工作。
