Atmosféra Horné vrstvy atmosféry. Existenciu hustej atmosféry prvýkrát dokázal G. P. Kuiper v roku 1944 pomocou spektrografie, keď spozoroval absorpčné čiary prislúchajúce metánu. Pozorovania sondami Voyager potvrdili dusík ako hlavný komponent atmosféry a určili jej tlak na povrchu približne o polovicu väčší ako na Zemi. V skutočnosti je jeho tlak o 60 % väčší ako na povrchu Zeme. Titan je tak okrem Zeme jediným telesom v našej slnečnej sústave, ktoré má v atmosfére najväčšie zastúpenie dusíka. Na rozdiel od Zeme však atmosféra Titanu neobsahuje žiadny kyslík. Jeho atmosféra je 5-krát hrubšia ako pozemská, horné vrstvy sú až vo výške nad povrchom. Teplota horných vrstiev atmosféry dosahuje -200°C. Zastúpenie dusíka predstavuje okolo 95 %. Zvyšok tvorí najmä metán – 1,4 %. Keďže ide o skleníkový plyn, ovplyvňuje vývoj klímy Titánu v periódach trvajúcich stovky tisíc rokov. V stopovom množstve sa vyskytujú vodík, argón a rôzne uhľovodíky (detegovaná bola prítomnosť etánu, diacetylénu, propínu, kyanoacetylénu, etínu a propánu), oxid uhličitý, oxid uhoľnatý, dikyan, kyanovodík a hélium. Ultrafialové žiarenie Slnka rozkladá v horných vrstvách atmosféry metán a tak dochádza k neustálej tvorbe pevných uhľovodíkov, ktoré postupne klesajú na povrch. Titan sa počas obehu Saturnu niekedy dostane mimo Saturnovu magnetosféru, ktorá ho chráni pred slnečným vetrom. Vtedy slnečný vietor unáša častice z horných vrstiev atmosféry do kozmického priestoru. Kvôli nízkym teplotám (okolo −180 °C) na povrchu mesiaca nedochádza k sublimácii vodného ľadu, výsledkom čoho je absencia vodných pár v atmosfére. Oblaky na Titane sú tak tvorené pravdepodobne etánom, metánom a ďalšími jednoduchými uhľovodíkmi. Rozloženie uhľovodíkov je vo všetkých oblastiach danej výšky rovnaké, ale podliehajú sezónnym zmenám v závislosti od ročných období. 200 km nad povrchom sa k nim pridávajú tholiny, ktoré spôsobujú charakteristickú oranžovú farbu mesiaca. Ešte nižšie sa tvoria organické aerosóly. Hustá atmosféra neustále zahaľuje povrch Titanu. Zabraňuje tak preniknutiu väčšiny slnečných lúčov na povrch mesiaca, ktoré sa od nej odrážajú do kozmického priestoru, čím spôsobuje antiskleníkový efekt. Sonda Huygens nebola schopná počas zostupu určiť polohu Slnka, ale bola schopná v existujúcom šere získať obrázky povrchu mesiaca. Preto sa predpokladá, že nielen Slnko, ale ani Saturn nie je z povrchu Titanu viditeľný. Pozorovania sondy Cassini z roku 2004 naznačujú, že atmosféra rotuje oveľa rýchlejšie ako povrch mesiaca (podobne ako na Venuši). Na Titane vďaka jej atmosfére existuje kolobeh kvapalín podobne ako na Zemi. Na rozdiel od Zeme sa ale nejedná o vodu, ale o kvapalné uhľovodíky. Oblačnosť a počasie Súbor:Titan s Giant North Pole Cloud.jpg|náhľad|Gigantický oblak nad severným pólom Titanu v nepravých farbách Sonda Cassini objavila gigantický oblak nad severným pólom mesiaca. Má priemer až a siaha po 60-tu rovnobežku. Je pravdepodobné, že práve z tohto oblaku pršia uhľovodíky hromadiace sa v povrchových jazerách. Jeho existenciu predpokladali vedci ešte predtým, než sa ho podarilo sonde odfotografovať. Oblak existuje už niekoľko rokov a vedci predpokladajú, že v priebehu ďalšieho vývinu sa bude presúvať do južných polárnych končín. Mraky na Titane sa pohybujú rýchlosťou okolo /s. Nad južným pólom mesiaca sa zase vytvoril polárny vír. Poloha oblakov a s nimi súvisiacich jazier sa mení v priebehu sezón, ktoré trvajú sedem pozemských rokov. Počas sezón sa uhľovodíkové jazerá striedavo vyparujú a tvoria oblaky a opäť napĺňajú zrážkami z oblakov. Hlavnou zložkou týchto dažďov je podľa spektrometra VIMS sondy Cassini etán. Tieto zrážky sú väčšinou mierne a pomerne rýchlo sa vyparia. V okolí severného pólu sa sústreďuje skôr metán padajúci na povrch v podobe búrok a metánových zrážok. Vír nad južným pólom Titanu Na základe pozorovaní sondy Cassini v rokoch 2004 – 2007 planetológovia prišli k záveru, že jeho oblaky sa tvoria a pohybujú skoro rovnako ako oblaky na Zemi. To však vyvrátili neskoršie pozorovania sondy Cassini, ktoré nezaznamenali ani zďaleka dostatočnú koncentráciu dikyanoacetylénu, látky, z ktorej sa oblaky skladajú. Sonda zaznamenala v atmosfére Titanu ľadové oblaky, na ktorých skondenzovanie by bolo potrebné 100-krát väčšie množstvo tejto chemikálie. Podobný výsledok dal už detektor sondy Voyager 1, ktorá okolo mesiaca preletela dávno pred Cassinim, čo si ale vedci vysvetľovali nedostatočnou citlivosťou jej detektora. Keď ale rovnaký mechanizmus dal aj prístroj CIRS sondy Cassini, vedci museli svoj názor na proces spôsobujúci vznik oblakov na Titane prehodnotiť. Výskumníci si to začali vysvetľovať pomocou chémiou pevných látok. V lete na južnej pologuli pozorovali množstvo oblakov, ktoré navzdory očakávaniam pretrvali aj do začiatku jesene. Počasie na Titane tak pripomína pozemské babie leto, aj keď mechanizmus jeho vzniku je úplne iný.