三氧化鈦鐵作為一種復合氧化物，其核心組成元素是鈦(Ti)和鐵(Fe)，同時以氧(O)作為關鍵的配位元素形成穩定結構。在化學式FeTiO3的表述中，可以清晰看到這三種元素以1:1:3的摩爾比精確配比，這種礦物學上被稱為鈦鐵礦的化合物，其晶體結構屬于三方晶系(R3c空間群)。需要注意的是在實際地質樣本中，常含有鎂(Mg)或錳(Mn)等微量元素替代部分鐵原子，形成類質同象系列。

從材料科學角度看，三氧化鈦鐵中的鈦元素呈現+4價態，鐵元素則保持+2價，氧原子以-2價與金屬離子形成八面體配位。這種獨特的電子構型使得該物質具有顯著的介電性能(相對介電常數15-30)和適中的磁化率(約5×10?? emu/g)。特別值得注意的是，某些工業級產品可能含有痕量的鋁(Al)或硅(Si)雜質，這些通常源自礦石的天然伴生成分。

在高溫合成過程中(通常需要1200-1400℃燒結)，三氧化鈦鐵會保持嚴格的化學計量比，此時元素分布可通過X射線熒光光譜(XRF)精確測定。而對于光伏領域應用的納米級材料，表面修飾可能會引入碳(C)或氮(N)等輕元素，這些額外元素雖然不改變本體結構，但對材料的光催化性能產生重要影響。