Родился в семье чиновника межевого ведомства, скончавшегося до рождения сына. Мать преподавала в гимназии и епархиальном училище.
Окончил Вятскую духовную семинарию (1899), Санкт-Петербургскую духовную академию со степенью кандидата богословия (1903; первым в выпуске) Археологический институт. Профессорский стипендиат Санкт-Петербургской духовной академии.
Магистр богословия (1905; тема диссертации: «Правительство императрицы Анны Иоанновны в его отношениях к делам православной церкви»). В 1911 защитил диссертацию на соискание учёной степени доктора церковной истории на тему «Духовная школа в России в XIX столетии», однако соответствующее решение совета Санкт-Петербургской духовной академии не было утверждено Святейшим Синодом после негативного отзыва митрополита Антония (Храповицкого). В 1916 стал доктором церковной истории, защитив диссертацию на значительно менее конфликтную тему: «Гавриил Петров, митрополит Новгородский и С.-Петербургский (1730—1801). Его жизнь и деятельность в связи с церковными делами того времени».
После Февральской революции 1917 стал одним из соратников нового обер-прокурора Синода Владимира Львова, выступил с инициативой создания на основе издававшегося Синодом «Всероссийского церковно-общественного вестника» и неофициальной части «Церковных ведомостей» нового органа церковной прессы, который стал бы пропагандировать идеи церковных реформ. В апреле 1917, после передачи «Всероссийского церковно-общественного вестника» духовной академии, Титлинов был избран его главным редактором — в этом качестве он активно выступал за обновление церкви на демократических началах. Такая точка зрения принципиально расходилась с позицией церковной иерархии и значительной части верующих, в том числе большинства участников Поместного собора 1917—1918.
Также с апреля 1917 Титлинов был членом Учебного комитета Синода. В июле 1917 являлся товарищем председателя Первого Всероссийского съезда духовенства и мирян, один из инициаторов создания Союз демократического духовенства и мирян, в работе которого участвовали многие будущие деятели обновленческого движения. Был избран членом Предсоборного совета, являлся членом Поместного собора, на котором резко выступал против восстановления патриаршества. Считал, что патриаршество приведёт к абсолютизму в церкви и возможному церковному разделению, что оно существовало при монархии и не соответствует республиканскому государственному устройству. Остался в меньшинстве; более того, его общественная деятельность вызвала недовольство многих членов собора, некоторые консерваторы даже потребовали исключить Титлинова из состава собора ввиду обвинений в «доносительском» характере его публикаций. Кроме того, было принято решение сделать «Всероссийский церковно-общественный вестник» официальным органом собора, что повлекло за собой увольнение Титлинова с должности редактора.
По словам автором «Истории русской церковной смуты» Анатолия Краснова-Левитина и Вадима Шаврова,
Будучи членом Всероссийского Поместного Собора Православной Российской Церкви (открылся 15 августа 1917 года), был одним из противников идеи восстановления патриаршества; в своём выступлении 21 октября 1917 года обосновывал тезис, согласно которому восстановление патриаршества приведёт к абсолютизму в Церкви.
В феврале 1918 Титлинов выпустил единственный номер газеты «Мир Божий», в которой пытался найти компромисс с советской властью, хотя и осуждал некоторые её меры. В 1919 преподавал на кафедре истории религии историко-филологического факультета Петроградского университета, затем в Вологодском пролетарском университете и в Вологодском институте народного образования. В 1920—1922 работал архивистом второго отделения IV секции (бывший архив Синода) Петроградского отделения Центроархива.
Затем занимался литературной деятельностью, активно участвовал в обновленческом движении, был одним из его видных идеологов. В своих работах резко критиковал консерватизм церковной иерархии, которую обвинял в сотрудничестве с самодержавием. С 1924 — профессор обновленческого Высшего богословского института в Ленинграде, в 1926—1929 (вплоть до закрытия) был его проректором, а затем ректором. Одновременно, в 1926—1928 работал помощником библиотекаря Русского отделения Публичной библиотеки, руководил работой по созданию систематического каталога отделения, но был уволен после обвинений идеологического характера (в ошибках в систематизации общественно-политической литературы).
10 февраля 1930 был арестован по обвинению в антисоветской агитации (значительная часть обвинений касалась деятельности Титлинова в 1917—1918; также он обвинялся в антисемитской агитации). Был приговорён к трём годам лишения свободы, но 9 июля 1932 Особое совещание при Коллегии ОГПУ приняло решение о его досрочном освобождении. Известно, что в 1937 он проживал в Луге, где, видимо, оставался и в дальнейшем.
Существовала версия о том, что во время Великой Отечественной войны он, находясь на оккупированной территории, был казнён немецкими властями. Однако в «Церковно-историческом вестнике» (№ 12-13 за 2005—2006) М. В. Шкаровский опубликовал документы, из которых следует, что в 1943 году Титлинов был заместителем бургомистра Луги в составе назначенной немецкими властями администрации. В начале 1944 ему и его жене Наталье, урождённой Малининой, было разрешено эвакуироваться в Германию в город Оберурсель, где проживала сестра его жены, вышедшая в 1930 году замуж за работавшего тогда в СССР немецкого химика доктора Карла Эбеля. Из документов следует, что в феврале 1944 года супружеская чета Титлиновых находилась в Риге, где ожидала возможности выезда в Германию.