Urodził się we wsiWierchnieje Żylino(inne języki) wKraju Ałtajskim wZwiązku Radzieckim. Od 1953 służył wArmii Radzieckiej. W 1955 ukończył wojskową wstępną szkołę lotniczą, a w 1957 Stalingradzką Wojskową Szkołę Lotniczą wNowosybirsku. Następnie pełnił służbę jako pilot w lotnictwie wojskowym ZSRR w leningradzkim okręgu wojskowym. Został wybrany do pierwszego oddziału kosmonautów radzieckich (WWS 1), gdzie był dubleremJurija Gagarina przed jego pierwszym lotem.
Titow wystartował do swojego lotu kosmicznego 6 sierpnia 1961 na pokładzie statkuWostok 2. Była to odpowiedź ZSRR na lotyAlana Sheparda (5 maja 1961) orazVirgila Grissoma (21 lipca 1961), które nastąpiły bardzo szybko po locie Gagarina (12 kwietnia 1961). Jak zwykle, nie podano programu lotu. Szybko okazało się, że Titow nie lądował ani po jednym okrążeniu, ani po trzech. Lot trwał ponad dobę i był sukcesem przede wszystkimSiergieja Korolowa, konstruktora „Wostoka” i jego rakiety nośnej.
Dopiero po wielu latach podano do publicznej wiadomości, że lot Titowa nie był perfekcyjny, a sam Titow przez wiele godzin cierpiał na „chorobę kosmiczną”, spowodowaną jego słabą akomodacją do stanunieważkości.
W 1968 Titow ukończył inżynierię lotniczą w Inżynieryjnej Akademii Sił Powietrznych im. Żukowskiego, a w 1972 Akademię Sztabu Generalnego. Od lat 70. XX wieku zajmował różne kierownicze stanowiska w Głównym Zarządzie Środków Kosmicznych (GUKOS) Ministerstwa Obrony, zajmującym się radzieckim programem wykorzystania Kosmosu do celów militarnych. W 1991, w stopniu generała-pułkownika odszedł do rezerwy. W latach 90. zajmował się nadal działaniem w organizacjach kosmonautycznych, a także działalnością polityczną – był deputowanym doDumy Państwowej Rosji pierwszych trzech kadencji.