Главным отличием новой ракеты стало применения некриогенного топлива, которое могло находиться в баках долгое время. Топливо состояло из горючего, представляющего собой смесь 50 % несимметричного диметилгидразина, 50 % безводного гидразина и четырехокиси азота, служащей окислителем. Комбинация этих двух компонентов топлива обеспечивала удельный импульс 262 кг-с/кг, удельный импульс у жидкого кислорода и керосина был равен 280 кг-с/кг. Уменьшение этого важнейшего показателя заставило конструкторов модифицировать двигатели с целью повышения тяги. Тяга каждой камеры сгорания двигателя первой ступени была увеличена на одну треть и достигла 97,5 т (в сумме 195 т). Тяга нового двигателя второй ступени в вакууме достигла 45 т.
Для увеличения дальности полета емкость топливных баков второго «Титана» значительно увеличили. При этом взлетный вес ракеты вырос на 54 т. Длина первой ступени составила 21,6 м, длина второй ступени вместе с головной частью — 9,7 м, диаметр второй ступени увеличили до 3 м. Разделение ступеней — огневое.
Значительные усовершенствования внесли в систему бортового электропитания с целью сокращения общего веса и потребления энергии всеми электрическими и электронными блоками. Многие предстартовые проверочные операции, для проведения которых на «Титан I» требовалось несколько человек, были объединены и теперь выполнялись одним оператором. Предстартовая проверка могла осуществляться автоматически.
На «Титан II» установили чисто инерциальную систему наведения. Все элементы этой системы прошли летные испытания в семи запусках «Титан I». Точность стрельбы увеличилась и составила 1400 м.
Повышенная тяга силовой установки позволила устанавливать на серийных ракетах новую, более тяжелую, головную часть типа Мк.6 с боеголовкой мощностью от 10 до 15 Мт.
Для запуска «Титан II» разработали новую шахту с газоотводными каналами W-образной формы. Шахта собиралась из бетонных колец и внутри обшивалась стальными листами, обеспечивающими надежную герметизацию сооружения. Сверху она закрывалась сдвижной крышкой весом 450 т. Специальная система кондиционирования обеспечивала поддержание постоянной температуры заправленной ракеты на уровне 15 °C.
Ракета собиралась прямо в шахте. Первая ступень устанавливалась на специальном кольце, подвешенном на четырех пружинных растяжках длиной 7,6 м (маятниковая система амортизации). Для предотвращения ударов о стенки шахты при колебаниях почвы во время ядерного взрыва на ракете и кольце имелись вертикальные и горизонтальные пружинные демпферы. Для точного выравнивания ракеты применялись мощные гидравлические домкраты.
Первый образец шахты построили на авиабазе Ванденберг в июле 1960 г. 3 мая 1961 г. из опытной шахты запустили ракету «Титан I». Этот запуск в основном предназначался для измерения уровней звукового давления и температур на корпусе ракеты. После завершения программы испытаний, в сентябре 1962 г., стартовый комплекс передали командованию стратегической авиации для тренировки личного состава.
Первую экспериментальную ракету «Титан II» сдали на статические испытания в декабре 1961 г. Первый пуск с открытого старта на мысе Канаверал состоялся 16 марта 1962 г. При запуске второй ракеты 7 июня 1962 г., вскоре после включения двигателя второй ступени, появилась неисправность в телеметрической системе, и планировавшаяся дальность 8000 км не была достигнута. Третий пуск неоднократно откладывался по разным причинам и состоялся 11 июля 1962 г. Он прошел успешно: ракета пролетела 8000 км, подтвердив расчетные характеристики. Четвертый пуск 25 июля 1962 г. посчитали частично успешным, так как ракета пролетела на несколько сот километров меньше положенного расстояния. В трех последовательных успешных запусках, пооведенных 12 сентября, 12 и 26 октября 1962 г., «Титаны» достигали дальности 8000 км, а в феврале 1963 г. «Титан» пролетел уже 10460 км. Программа исследовательских и опытных работ завершилась в апреле 1964 г. Всего провели 33 запуска, из которых 24 закончились успешно.