Titán fue descubierto por el físico, matemático y astrónomo holandés Christiaan Huygens (1629-1695) en 1655, al apuntar hacia Saturno su telescopio refractor de 12 pulgadas, cuyas lentes él mismo había pulido. Bautizó a esta luna de Saturno con ese nombre no solo por su gran tamaño, sino porque en la mitología griega, los Titanes eran los hijos de Urano (el cielo) y Gea (la Tierra) y por lo tanto formaban parte de la generación de dioses que precedieron a los del Olimpo. Saturno era uno de los miembros de esta generación.

Titán permaneció prácticamente en el olvido, hasta que en este siglo el astrónomo español de origen catalán José Comas Solá planteó la hipótesis de que ese satélite podría poseer atmósfera. Comas Solá llegó a esa conclusión después de percibir que la luminosidad de Titán disminuía progresivamente desde su centro hasta su borde, fenómeno que en otros cuerpos celestes está casi siempre asociado a la presencia de una cobertura gaseosa. Esto se debe a que la luz que pasa por los bordes de un cuerpo que posee atmósfera debe atravesar esta capa "atmosférica", cosa que no ocurre cuando no hay atmósfera como por ejemplo en nuestra Luna. En 1916, el astrofísico inglés sir James Jeans (1877-1946), aplicando sus teorías sobre la estabilidad de la atmósfera planetaria, estimó que la temperatura de Titán rondaría los 60K y los 100K (equivalentes, respectivamente, a -213°C y -173°C). Jeans concluyó que cualquier especie molecular con masa igual o superior a 16 (masa de oxígeno molecular, O2) podría formar una atmósfera que durase desde el inicio del Sistema Solar hasta el día de hoy.