В 1953 году семья Титовых переехала в Тольятти.
В 1962 год у Константин Титов закончил среднюю школу и поступил в Куйбышевский Авиационный институт (ныне Самарский государственный аэрокосмический университет), закончив его в 1968 году по специальности «Инженер-механик по эксплуатации самолетов и двигателей». В то же время работал фрезеровщиком на Куйбышевском авиационном заводе.
С 1968 по 1970 год по направлению от института работал бортмехаником авиазавода.
В 1969 году был избран заместителем секретаря комитета ВЛКСМ Куйбышевского авиазавода. После этого перешёл на освобожденную комсомольскую работу.
В 1975 году поступил в аспирантуру Куйбышевского планового института (ныне Самарский государственный экономический университет), а в 1978 году закончил его, перейдя на научную работу в этот институт, где прошёл все ступени от младшего научного сотрудника до руководителя научно-исследовательской лаборатории, базового подразделения Госплана РСФСР по Поволжскому экономическому региону. Основными научными темами работ и публикаций К. А. Титова являлись проблемы экономической эффективности основных средств, капитальных вложений и новой техники.
С 1988 по 1990 год работал заместителем директора по экономике Куйбышевского филиала Научно-производственного центра «Информатика» — одного из первых предприятий в СССР, попытавшегося поставить прикладную науку на самоокупающуюся рыночную основу.
В марте 1990 года был избран депутатом городского Совета народных депутатов, а затем стал его председателем. 31 августа 1991 года указом президента Российской Федерации Б. Н. Ельцина был назначен главой администрации Самарской области.
12 декабря 1993 года был избран по Самарскому двухмандатному избирательному округу № 63 в Совет Федерации Федерального Собрания Российской Федерации. С февраля 1994 — член Комитета СФ по делам Федерации, Федеративному договору и региональной политике. Член Совета Федерации от Самарской области с января 1996 по декабрь 2001 года как глава исполнительной власти региона. С 1996 по 2002 год возглавлял Комитет Совета Федерации по бюджету, налоговой политике, финансовому, таможенному и валютному регулированию, банковской деятельности.
Победил на выборах в губернаторы Самарской области в 1996 году. В апреле 2000 года подал в отставку с поста губернатора области, однако на досрочных выборах вновь выставил свою кандидатуру и победил, набрав 53 % голосов.
Выдвигал свою кандидатуру на президентских выборах 2000 года, набрав 1,47 % голосов.
С 2002 года Константин Титов проходил свидетелем по уголовному делу об обмене облигаций «АвтоВАЗ» на акции «ЛогоВАЗ» (областная администрация была одной из сторон сделки).
В декабре 2004 года прокуратура Самары возбудила дела по фактам злоупотреблений и превышений полномочий в отношении Константина Титова и двух чиновников обладминистрации. Дело связано с незаконным выделением кредита в 300 млн. руб. из областного бюджета. 24 февраля 2005 года губернатора переквалифицировали из обвиняемого в свидетеля.
26 апреля 2005 года самарская губернская дума одобрила кандидатуру Титова на пост губернатора Самарской области (предложенную ей президентом России Владимиром Путиным), несмотря на незакрытое возбуждённое уголовное дело, в котором Константин Титов проходил как один из фигурантов.
Неоднократно менял политические предпочтения. Входил в Российское движение демократических реформ, «Демвыбор России», «Наш дом — Россия», в 1999 году создал движение «Голос России», которое позже влилось в «Союз правых сил» (Титов возглавил политсовет СПС). В 2000 году возглавил Российскую партию социальной демократии, объединившуюся с Российской объединенной социал-демократической партией. В мае 2005 года вышел из Социал-демократической партии.
С 22 ноября 2005 года — член партии «Единая Россия».
27 августа 2007 года ушёл с поста губернатора Самарской области по собственному желанию.
С октября 2007 года член Совета Федерации Федерального Собрания Российской Федерации от исполнительного органа государственной власти Самарской области. С октября 2007 по январь 2008 года — заместитель председателя Комитета СФ по социальной политике. C января 2008 года — заместитель председателя Комитета СФ по социальной политике и здравоохранению, с февраля 2008 — член Комиссии СФ по взаимодействию со Счётной палатой РФ.
Женат, имеет сына и двух внуков. Сын — Алексей, председатель совета директоров «ОАО Комерческого банка Солидарность».