Юрий Титов два года проучился в политехническом институте и бросил. В 1959 году окончил Киевский государственный институт физкультуры, затем был в аспирантуре и обучался в Высшей партийной школе.
В составе сборной СССР по спортивной гимнастике Юрий Титов был участником летних Олимпийских игр 1956 года в Мельбурне, 1960 года в Риме и 1964 года в Токио. В 1956 году Юрий Титов стал Олимпийским чемпионом в командном первенстве. В 1960 и 1964 годах становился серебряным призером Олимпийских игр в командном первенстве. Юрий Титов — серебряный призер Олимпийских игр в вольных упражнениях (1960), в упражнении на перекладине (1956, 1964), бронзовый призер в многоборье (1956, 1964) и в опорном прыжке (1956).
Юрий Титов — абсолютный чемпион мира 1962 года, чемпион мира в опорном прыжке 1958 года и чемпион мира в упражнениях на кольцах 1962 года.
Юрий Титов — абсолютный чемпион Европы 1959 года, чемпион Европы в упражнениях на коне 1959 года, на кольцах 1959 и 1961 годов, в опорных прыжках 1957 и 1959 годов, на брусьях 1959 года, на перекладине 1961 года.
Юрий Титов — абсолютный чемпион СССР 1958 и 1961 годов, чемпион СССР в вольных упражнениях 1959 года, на кольцах и перекладине 1961 года, в опорных прыжках 1958 и 1960 годов.
В 1966 году Юрий Титов завершил свою спортивную карьеру. Всего на Олимпийских играх, на Чемпионатах мира и Европы он завоевал 33 медали, из них 11 золотых.
После окончания спортиквной карьеры, Юрий Титов работал начальником управления гимнастики Госкомспорта СССР,.
Юрий Титов — судья международной категории (1968).
С 1976 по 1996 годы Юрий Титов был президентом Международной федерации гимнастики (FIG). После сложения полномочий действующего президента, Юрий Титов был избран почетным Президентом Международной федерации гимнастики. Будучи Президентом Международной федерации гимнастики, Юрий Титов способствовал тому, что Олимпийскими видами спорта стали художественная гимнастика и прыжки на батуте (прыжки на батуте были включены в программы олимпиад в 2000 году).
В декабре 2004 года Юрий Титов был избран Президентом Федерации спортивной гимнастики России. В этой должности он проработал до января 2006 года. С января 2006 года Юрий Титов — вице-президент и гостренер Федерации гимнастики России.
Юрий Титов — член МОК (1995—1997).
Юрий Титов — автор книги «Сумма балов».
Юрий Титов награжден орденами Трудового Красного Знамени (1960, 1980), Дружбы народов (1976), «Знак Почета» (1957), Серебряным Олимпийским орденом МОК (1991), почетным знаком «За заслуги в развитии физической культуры и спорта» (2000).