El peening ultrasónico (USP) es una tecnología de tratamiento de superficies utilizada en el fortalecimiento de las propiedades mecánicas de los materiales y componentes de ingeniería durante la fabricación. La aleación de titanio TC4 es un material de ingeniería comúnmente utilizado en la industria aeroespacial. En este estudio, se fabricó con éxito una capa superficial nanostructurada en la aleación de titanio TC4 a través de la tecnología USP a temperatura ambiente. Se investigó la evolución de la microestructura de la aleación de titanio TC4 durante el USP. La microdureza superficial se elevó de 330 HV a 438 HV con una profundidad de penetración de alrededor de 900 m después del USP con una duración de 8 minutos. Los resultados de la caracterización EBSD confirmaron la presencia de límites de grano de alta densidad dentro de la estructura en gradiente en la región de 0-200 m, acompañados por una proliferación de la densidad de dislocaciones. La caracterización TEM indicó una cantidad sustancial de nanograno con un tamaño promedio de 74.58 nm. Además, el proceso USP también fue investigado mediante el método de elementos finitos para evaluar el efecto de fortalecimiento de la superficie. La tensión residual máxima calculada alcanzó 973 MPa después del impacto de múltiples bolas. Se estudió el comportamiento de impacto de los disparos durante el proceso USP. Se exploró el efecto de los parámetros sobre la intensidad de fortalecimiento del USP basado en el modelo validado. Este trabajo proporcionó una comprensión más clara del proceso de fortalecimiento USP de la aleación de titanio TC4 a través de un método efectivo de evaluación de los parámetros del proceso.