В 1904 г. вместе с семьей вернулся в Россию. После сдачи магистерских экзаменов в Дерптском (Юрьевском) университете был принят на должность лаборанта электрохимической лаборатории Физического института Московского университета, а затем включен в число приват-доцентов по кафедре химии. Читал курс физической химии, заведовал лабораторией, работал над магистерской диссертацией — «Об адсорбции газов углем», которую защитил в 1911 г.

В том же году вместе с группой профессоров Московского университета вышел в отставку в знак протеста против реакционной политики министра просвещения Л. А. Кассо. Читал курсы по физической химии и коллоидной химии в Народном университете им. А. Л. Шанявского, позже — в Варшавском ветеринарном институте (эвакуированном в Москву). Являлся одним из членов-учредителей Московского общества изучения и распространения физических знаний.

В 1904 г. стал директором-распорядителем товарищества «И. Вахрамеев и Ко» (Ростов Ярославской губ.), содержавшего цикорную фабрику, паточный и саговый заводы. С 1911 г., после смерти отца, — наследник его торгово-промышленного предприятия, владелец нескольких домовладений в Москве.

В 1906 г. — член Оргкомитета Народно-социалистической партии (НСП), основатель ее московской группы, во время революции 1905−1907 гг. работал в Оргкомитете Всероссийского крестьянского союза (ВКС). В 1911 г. один из инициаторов (вместе с С. П. Мельгуновым) создания московского кооперативного издательства «Задруга». Являлся гласным Московской городской думы и Ярославского губернского земского собрания. В 1914—1918 гг. член Главного комитета Всероссийского союза городов, занимался вопросами организации промышленного производства и снабжения армии медикаментами.

После Февральской революции 1917 г. вошел в новый состав НСП, с марта состоял в Главном Оргкомитете ВКС. В мае-сентябре — занимал пост товарища министра продовольствия (при министре народном социалисте А. В. Пешехонове) во Временном правительстве. Участвовал в работе 1-го и 2-го съезда Трудовой народно-социалистической партии (ТНСП), член ЦК партии. Выдвигался кандидатом в члены Учредительного собрания.

В марте 1918 г. участвовал в создании «Союза Возрождения России» (СВР), один из его активных деятелей. В июне-июле в качестве представителя СВР выезжал на Юг для установления контактов с командованием Добровольческой армии, вел переговоры с генералом М. В. Алексеевым. Участвовал в работе Ясского совещания (16−23 ноября 1918 г.), на котором был включен в состав делегации для встречи с союзниками в Риме, Париже и Лондоне (дек. 1918 — янв. 1919). Во время этой поездки вел переговоры со многими общественными и политическими деятелями Европы. В частности, встречался в Лондоне с всемирно известным романистом Гербертом Уэллсом, о чем сохранились воспоминания секретаря делегации, писателя и друга А. А. Титова — писателя Марка Алданова. 20−24 сентября 1919 г. А. А. Титов участвовал в работе конференции «Союза Возрождения России» в Ростове-на-Дону.

С марта 1920 г. А. А. Титов вместе со своей семьей — второй женой Марией Петровной (урожд. Меснянкиной) и двумя детьми — Валентиной (1914−2016) и Юрой (1917−1933) в эмиграции в Париже. После кончины первой жены Беатрисы в России в том же 1920 г. А. А. Титову удалось через ее английских родственников вывезти в Париж детей от этого брака — Зинаиду и Александра.

В августе 1920 г. на московском судебном процессе по делу «Тактического центра» А. А. Титов был объявлен «врагом народа» и лишен права въезда на территорию РСФСР. В эмиграции — он один из создателей «Объединения земских и городских деятелей за границей», член исполкома «Всероссийского земского союза», заведующий его счетно-казначейского отдела. Председатель Заграничного комитета ТНСП. В 1929 г. под редакцией и с предисловием А. А. Титова вышел сборник «Николай Васильевич Чайковский. Религиозные и общественные искания», посвященный памяти известного идеолога и многолетнего председателя Трудовой народно-социалистической партии.

В феврале 1945 г. в составе делегации В. А. Маклакова посетил советского посла в Париже. В марте того же года был избран членом правления «Объединения русской эмиграции для сближения с Советской Россией».

А. А. Титов входил в правление Русского академического союза во Франции, являлся членом Союза бывших воспитанников Московского университета и Московского землячества (одно время был председателем правления). Занимался преподавательской деятельностью: читал лекции на русском физико-математическом факультете Парижского университета, в Русском высшем техническом институте, преподавал товароведение в Русском Коммерческом институте.

С февраля 1921 г. и до конца жизни являлся исполнительным директором крупной химико-фармацевтической фирмы «Биотерапия». Фирма выпускала противовирусные вакцины и широко известную в Европе зубную пасту «Саножиль» (Sanogyl), разработчиком которой был А. А. Титов. В «Биотерапии» работал классик французской литературы Луи-Фердинанд Селин (1894−1961), врач по образованию. А. А. Титов и его юная дочь Валентина стали одними из прототипов его мирового бестселлера «Путешествие на край ночи» (1932).

А. А. Титов являлся пожизненным председателем Общества русских химиков во Франции. Вел большую культурно-просветительную и благотворительную деятельность, был знаком и дружен со многими представителями русской и французской культуры и науки, пользовался большим авторитетом в среде русской эмиграции.

Скончался 26 декабря 1961 г. в Париже. Похоронен на знаменитом русском кладбище Сент-Женевьев де Буа.

Ярослав Смирнов