Герман Степанович родился в селе Верхнее Жилино Алтайского края, в семье учителя. В 1954 году окончил 9-ю военную авиационную школу лётчиков, в 1957 году – Сталинградское военное авиационное училище лётчиков. Служил в ВВС, с 1960 года – в отряде космонавтов.
В апреле 1961 года был дублёром Юрия Гагарина при подготовке к первому полёту в космос. 6–7 августа 1961 года на космическом корабле «Восток-2» Титов осуществил второй в истории человечества и первый длительный (более суток) полёт в космос, сделав 17 оборотов вокруг Земли.
Во время полёта выполнил ориентацию корабля во всех режимах, впервые в мире провёл фотосъёмку с орбиты, провёл ряд важных медико-биологических экспериментов. В результате полёта стало ясно, что человек может жить и работать в космосе.
Титов работал в Центре подготовки космонавтов, был инструктором-космонавтом, входил в группу по программе «Спираль» (создание орбитального самолёта), участвовал в испытаниях самолётов, а затем возглавлял 4-й отдел ЦПК, занимающийся этой программой.
В 1968 году Титов окончил Военно-воздушную инженерную академию им. Н. Е. Жуковского, затем – Военную академию Генштаба им. К. Е. Ворошилова.
Титов участвовал в различных космических программах, пока в 1992 году не ушёл в отставку, заняв пост президента Международного научно-технического центра по космонавтике и электронике «Космофлот».
В 1993–1995 годах Титов был заместителем председателя совета Российского центра конверсии аэрокосмического комплекса, а с 1999 года – президентом Федерации космонавтики РФ.
Также он являлся депутатом Верховного Совета СССР (в 1962–1970 годах) и Государственной Думы РФ первого и второго созывов.
Награждён двумя орденами Ленина, медалями и другими российскими и иностранными наградами.
Скончался Герман Степанович Титов в Москве 20 сентября 2000 года от сердечного приступа, был похоронен на Новодевичьем кладбище столицы.
