После окончания авиационного училища Герман Степанович Титов служил летчиком, затем старшим летчиком в истребительном авиационном полку 41-й истребительной авиационной дивизии.

В марте 1960 г. был зачислен в отряд космонавтов в качестве слушателя- космонавта. В январе 1961 г. сдал выпускные экзамены по общекосмической подготовке и был зачислен в отряд космонавтов ЦПК ВВС.

С октября 1960 по апрель 1961 г. проходил подготовку к полету на космическом корабле «Восток». 12 апреля 1961 г. был дублером Юрия Гагарина.

В 1961 г. с 6 по 7 августа Г. С. Титов в качестве пилота КК «Восток-2» выполнил первый в мире космический полет продолжительностью более суток.

В 1966—1970 гг. Г. С. Титов проходил подготовку по программе «Спираль». В этот же период в ГК НИИ ВВС в г. Ахтубинск он принимал участие в испытаниях самолетов МиГ-21 и Су-7, Су-9, Су-11, Як-28, Як-25РВ и других.

В 1970 г. Герман Степанович был отчислен из отряда космонавтов в связи с поступлением на очное отделение Военной академии Генштаба.

С августа 1972 г. служил заместителем начальника Центра по управлению космическими аппаратами военного назначения. С июня 1973 г. был заместителем, а с июля 1979 г. — первым заместителем начальника ГУКОС МО СССР по опытно-конструкторским и научно-исследовательским работам. В этот период являлся председателем нескольких государственных комиссий по испытаниям ракетно-космических систем.

В 1986 г. генерал-лейтенант авиации Г. С. Титов назначается первым заместителем командующего Военно-космическими войсками.

После увольнения из рядов Вооруженных Сил Герман Степанович Титов занимался общественной работой и политикой.

В 1995 г. Г. С. Титов стал депутатом Государственной думы Российской Федерации первого, второго и третьего созывов. Состоял во фракции КПРФ.

Г. С. Титов — автор ряда книг о космосе: «700 тысяч километров в космосе», «Семнадцать космических зорь», «Авиация и космос», «Первый космонавт планеты», «Голубая моя планета», «На звездных и земных орбитах».

Награжден 2 орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, орденом Трудового Красного Знамени, орденом «За заслуги перед Отечеством» 3 степени, медалями.

Награжден также многими зарубежными орденами и медалями, в том числе высшей наградой «Золотая Звезда» Вьетнама, Болгарии, Монголии.

Именем Германа Титова назван кратер на Луне.