Родился 11 сентября 1935 г. в с. Верх-Жилино Косихинского района Западно-Сибирского края (ныне Алтайский край) в семье сельского учителя. В 1938 г. семья Титовых переехала в село Полковниково того же района.
В 1953-1955 гг. проходил обучение в 9-й Военной авиационной школе первоначального обучения летчиков ВВС в городе Кустанай (Казахская ССР, ныне Республика Казахстан). В 1957 г. окончил Сталинградское военное авиационное училище летчиков (Новосибирск) и получил квалификацию "военный летчик".
С ноября 1957 г. служил летчиком, с октября 1959 г. - старшим летчиком в авиационных частях Ленинградского военного округа. Имел квалификацию военного летчика III класса (1957). Совершил более 800 полетов на самолетах различного типа. Еще в Сталинградском ВАУЛ освоил самолеты Як-18, Як-11, МиГ-15УТИ, МиГ-15бис.
7 марта 1960 г. приказом главнокомандующего ВВС СССР Герман Титов был зачислен слушателем-космонавтом в отряд Центра подготовки космонавтов (ЦПК). Входил в число первых 20 советских летчиков, отобранных для полетов в космос (первый отряд космонавтов) и группу из шести человек, готовящихся к первому пилотируемому полету. 25 января 1961 г. был назначен на должность космонавта ЦПК с присвоением квалификации "космонавт ВВС".
Был дублером Юрия Гагарина, совершившего 12 апреля 1961 г. полет в космос на корабле-спутнике "Восток".
Спустя четыре месяца Герман Титов побывал в космосе и стал вторым космонавтом планеты. 6-7 августа 1961 г. в качестве пилота корабля "Восток-2" он выполнил первый в мире космический полет длительностью более суток - 25 часов 18 минут. В ходе полета космонавт дважды управлял кораблем вручную, выполнял его ориентацию и стабилизацию. С помощью ручного киносъемочного аппарата Титов провел первую киносъемку Земли из космоса. Также он впервые в условиях невесомости на околоземной орбите смог питаться, спать и выполнять физические упражнения.
По состоянию на сентябрь 2020 г. Герман Титов является самым молодым космонавтом, совершившим полет в космос: в день старта ему было 25 лет 10 месяцев 25 дней.
В августе 1961 г. ему была присвоена квалификация военного летчика I класса и космонавта III класса. Кроме того, он был инструктором парашютно-десантной подготовки ВВС (1960).
С сентября 1961 г. по август 1964 г. Герман Титов работал в ЦПК заместителем командира 1-го отряда. Одновременно в 1961-1968 гг. был инструктором-космонавтом. В 1967 г. получил квалификацию летчика-испытателя III класса.
Параллельно с сентября 1961 г. по март 1968 г. был слушателем Военно-воздушной инженерной академии имени профессора Н. Е. Жуковского в Москве (ныне Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина в Воронеже) по специальности "пилотируемые воздушные и космические летательные аппараты и двигатели к ним". По окончании академии получил диплом с отличием и квалификацию "летчик-космонавт-инженер".
В июле 1968 г. Титов был назначен командиром 2-го отряда ЦПК и старшим инструктором-космонавтом.
В 1966 г. он был включен в группу подготовки по программе "Спираль" (создание орбитального самолета). В 1967 г. в рамках этой программы принимал участие в испытаниях самолетов МиГ-21, Су-7, Су-9, Су-11, Як-28, Як-25РВ и др. В марте 1969 г. возглавил 4-й отдел ЦПК, который занимался "Спиралью" (в начале 1970-х гг. программа была закрыта). При этом за ним была сохранена должность старшего инструктора-космонавта.
17 июня 1970 г. Герман Титов был отчислен из отряда космонавтов ЦПК в связи с поступлением на очное отделение Военной академии Генерального штаба Вооруженных сил (ВАГШ ВС) СССР. В 1972 г. окончил ее с отличием и получил квалификацию "офицер с высшим военным образованием".
В 1972-1973 гг. работал заместителем начальника 153-го центра по управлению космическими аппаратами военного назначения командно-измерительного комплекса Главного управления космических средств (ГУКОС) Минобороны СССР (ныне Главный испытательный космический центр имени Г. С. Титова Минобороны РФ; г. Краснознаменск, Московская обл.; имя космонавта центру было присвоено в 2001 г.).
С июня 1973 г. был заместителем, с июля 1979 г. - первым заместителем начальника ГУКОС Минобороны СССР по опытно-конструкторским и научно-исследовательским работам.
В период с 1973 по 1991 г. возглавлял ряд государственных комиссий по испытаниям ракетно-космических систем (станции "Алмаз", ракеты-носителя "Зенит" и др.). Курировал от ГУКОС проект 1914 по созданию морских кораблей измерительного комплекса (головное судно "Маршал Неделин" находилось в составе ВМФ в 1983-1998 гг.).
В 1980 г. в ВАГШ ВС СССР защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата военных наук, впоследствии - докторскую диссертацию.
С июля 1986 г. занимал должность первого заместителя руководителя Управления начальника космических средств Минобороны СССР. Одновременно с мая 1990 г. являлся членом Военного совета этого управления.
27 октября 1991 г. приказом Минобороны СССР Герман Титов был уволен в запас в звании генерал-полковника авиации.
Являлся членом КПСС (с 1961 г.), депутатом Верховного совета СССР VI и VII созывов (1962-1970).
С 1992 по 1993 г. был президентом Международного научно-технического центра по космонавтике и электронике "Космофлот".
В 1993-1995 гг. - заместитель председателя совета Российского центра конверсии аэрокосмического комплекса.
С 1995 по 2000 г. был депутатом Государственной думы РФ I, II и III созывов. 14 мая 1995 г. был избран в Госдуму I созыва по Коломенскому одномандатному округу №107 (Московская обл.) в результате довыборов на место депутата Сергея Скорочкина, убитого в феврале 1995 г. Затем избирался в Госдуму II созыва (17 декабря 1995 г.) и III созыва (19 декабря 1999 г.) по Коломенскому одномандатному округу №106 (Московская обл.). Во всех созывах входил во фракцию КПРФ.
Герман Титов был инициатором установления Дня космонавтики (отмечается 12 апреля с 1962 г.). Являлся председателем Общества советско-вьетнамской дружбы (1966-1991) и почетным председателем Общества дружбы с Вьетнамом (с 1991 г.), президентом Федерации космонавтики России (с 1999 г.).
Входил в состав редколлегии научно-технического журнала "Полет" (с 1998 г.) и редакционного совета научно-популярного журнала "Новости космонавтики" (с 1999 г.).
Опубликовал более 30 научных трудов в области применения космических средств. Автор книг "700000 километров в космосе" (1961), "Семнадцать космических зорь" (1962), "Голубая моя планета" (1972), "На звездных и земных орбитах" (1987) и др.
Герман Титов скончался 20 сентября 2000 г. в Москве от сердечной недостаточности, похоронен на Новодевичьем кладбище столицы.
Герой Советского Союза (1961). Лауреат Ленинской премии в области науки и техники (1988).
Был награжден двумя орденами Ленина (оба в 1961 г.), а также орденами Октябрьской Революции (1985), Трудового Красного Знамени (1976), "За заслуги перед Отечеством" III степени (1995).
Удостоен ряда зарубежных наград и званий: Герой Монгольской Народной Республики (1961), Герой Труда Демократической Республики Вьетнам (1962), Герой Социалистического Труда Народной Республики Болгария (1962); орденов Хо Ши Мина и "Дружба" (Вьетнам), Георгия Димитрова (Болгария; 1962), Сухэ-Батора (Монголия; 1961), Карла Маркса (ГДР; 1961) и др.
Среди наград космонавта - Золотая медаль имени К. Э. Циолковского (1961) Академии наук СССР, медаль де Лаво Международной авиационной федерации.
Летчик-космонавт СССР (1961). Заслуженный мастер спорта (1961; за установление мировых рекордов в космическом полете). Почетный радист (1977). Заслуженный специалист ВС СССР (1991).
Почетный гражданин Алтайского края (2001), российских городов Барнаул (1968), Калуга (1961), Курск (1971), Севастополь (1961), Магадан (1979), Красный Кут Саратовской обл. (1974), Краснознаменск (Московская обл.), а также зарубежных Байконур (Казахстан; 1977), Юрмала (Латвия), Варна (Болгария), Афины (Греция) и др.
Был женат на Тамаре Васильевне Титовой (род. 1937). Супруга по образованию историк, работала в Институте военной истории, в н. в. является членом центрального совета Союза ветеранов Космических войск. Дочери: Татьяна (род. 1963) - выпускница МГИМО, экономист; Галина (род. 1965) окончила Военный институт иностранных языков, переводчик.