L'atmosphère de Titan est composée de 95% à 98,4 % d'azote — c'est la seule atmosphère dense riche en azote du système solaire en dehors de la Terre —, de 1,6 % à 5 % de méthane, et de traces d'autres gaz comme des hydrocarbures (dont l'éthane, le diacétylène, le méthylacétylène, l'acétylène, le propane, le cyanoacétylène et le cyanure d'hydrogène), du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, du cyanogène, de l'argon et de l'hélium.
On pense que les hydrocarbures se forment dans la haute atmosphère, provenant de réactions de dissociation du méthane par la lumière ultraviolette du soleil. Ces hydrocarbures produisent un épais smog orangé. Titan n'a aucun champ magnétique et orbite parfois en dehors de la magnétosphère de Saturne, l'exposant directement au vent solaire. Il est possible que certaines molécules soient ionisées et emportées en dehors de la haute atmosphère. En novembre 2007, des scientifiques ont découvert des anions lourds dans l'ionosphère de Titan et on pense qu'ils tombent vers les régions plus basses pour former le brouillard orange qui obscurcit la surface du satellite. Leur structure n'est pas connue, mais il pourrait s'agir de tholins, et ils pourraient former les bases de molécules plus complexes, comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques. Ces résidus atmosphériques pourraient avoir formé des couches plus ou moins épaisses et ainsi recouvrir certaines parties de la surface de Titan d'une sorte de goudron. Les traces d'écoulement observées par la mission Cassini-Huygens sont bien plus sombres que le matériau sur lequel elles serpentent. Il est probable qu'elles soient recouvertes de tholins amenés par les pluies d'hydrocarbures liquides qui lessivent les parties apparaissant plus claires.
Carl Sagan supposait que cette couche de tholins pourrait, grâce à l'énergie la traversant, accueillir des réactions chimiques semblables à celles connues par notre planète au début de son histoire, réactions ayant contribué à l'apparition de la vie sur Terre. D'après ces suppositions, Titan devint un des lieux d'exploration les plus intéressants du système solaire pour l'exobiologie. Toutefois la température peut être un élément ralentissant l'apparition de la vie.
Les réactions chimiques survenant dans l'atmosphère ont pour la plupart lieu à sa limite supérieure. À ce niveau, de petites molécules sont activées par le rayonnement ultraviolet du soleil ainsi que par des particules hautement énergétiques d'origine interstellaire de telle sorte que des ions réactifs se forment. Ceux-ci conduisent à la formation d'hydrocarbures aromatiques, de composés azotés complexes et de benzène. Les particules plus lourdes, nées de cette manière, descendent lentement dans des couches profondes de l'atmosphère et forment les tholins.
