Фамилия Титиов — редкий случай, когда сама форма подсказывает, что перед нами, скорее всего, поздняя, искусственная или книжная фамилия. В исконно русских фамилиях на -ов основа обычно заканчивается на твёрдый согласный (Петров, Иванов), а здесь мы видим основу на -ий. Это наводит на мысль, что исходное имя или прозвище звучало как Титий.

Если отбросить суффикс -ов, остаётся корень Тит-, который мгновенно отсылает к каноническому мужскому имени Тит (от латинского titulus — «почётный», «титул»). В святцах это имя известно, но в крестьянской среде до XIX века оно было относительно редким, чаще встречалось у духовенства или в городских мещанских семьях. Однако фамилия Титиов образована не напрямую от имени Тит, а от его производной формы — Титий. Такая форма могла возникнуть как ласкательное или, наоборот, как полное церковное именование (Титий вместо Тит по аналогии с другими именами на -ий).

Самая вероятная версия: фамилия Титиов — семинарская. В духовных училищах и семинариях было принято «облагораживать» фамилии, переводя их на латинский или греческий лад, либо давать новые по имени святого. Если отец будущего семинариста звался Титом, сыну могли дать фамилию Титиов (от латинизированного Titius), чтобы она звучала «учёнее» и отличалась от простонародных Титов или Титков. В пользу этой версии говорит и сам суффикс -ов, который в семинарской среде часто присоединяли к латинским основам (например, Сперанский — от spero «надеюсь», но наряду с ними существовали и простые «овские» фамилии от тех же корней).

Встречается и альтернативное объяснение: Титиов может быть вариантом фамилии Титов, где в говорах произошло «стяжение» или искажение при записи (Титиов вместо Титков или Титиев). Но это менее вероятно, так как форма Титиов устойчиво фиксируется именно в документах XIX века, связанных с духовным сословием, например, в списках выпускников семинарий.

Географически фамилия привязана к центральным губерниям России — Московской, Тверской, Ярославской, где располагались крупные семинарии. Носители фамилии Титиов — это, как правило, потомки сельских священников, дьячков или псаломщиков, получивших фамилию при поступлении в училище. Сейчас фамилия крайне редкая, и её обладатели, скорее всего, могут проследить свои корни именно через церковные метрические книги второй половины XVIII — начала XIX века.