Materiaalin fotokatalyyttinen ominaisuus perustuu puolijohdemateriaalin oksidissa tapahtuvaan elektronisiirtymään ns. valenssivyöstä johtavuusvyöhön UV-valokvantin luovuttaman energian vaikutuksesta. Tämä siirtymä muodostaa materiaalin pintaan reaktiivisia ryhmiä saaden pinnan hydrofiiliseksi ja reagoimaan ilman ja pinnan epäpuhtauksia hajottaen. Fotokatalyytti puolestaan ei kulu reaktion aikana. Esimerkiksi päivänvalon UV-säteily aktivoi nanopinnoitteen, jolloin sen pinnalla oleva vesipisara saa aikaan pintaan hydroksyyli- (-OH^-) ja peroksidi-ioneja (O₂^2-). Nämä vuorostaan reagoivat edelleen orgaanisten yhdisteiden kanssa, hajottaen niitä pienemmiksi paloiksi, hiilidioksidiksi ja vedeksi. Hydroksyyli-ionit tekevät pinnasta valaistuna superhydrofiilisen, jolloin vesi tunkeutuu likapartikkelien alle, tehokkaasti huuhtoen lian pois pinnalta.

Anataasi-kidemuotoisen titaanidioksidin energia-aukko (band gap, valenssivyön maksimin ja johtovyön minimin erotus) on noin 3,2 eV, kun taas rutiilifaasissa 3,0 eV. Energia-aukon suuruus kertoo myös sen, minkä suuruinen energia fotonilta tarvitaan, jotta energia riittäisi nostamaan elektronin valenssivyöltä johtovyölle.