La aleación de titanio tiene las ventajas de baja conductividad térmica, un pequeño coeficiente de expansión y ser no magnética, lo que la convierte en un material estructural ideal a baja temperatura. En este trabajo, se selecciona la aleación de titanio TC4, típica en aleaciones de titanio industriales, como objeto de estudio. Se investiga principalmente la ley de deformación de la microestructura y el comportamiento mecánico de la aleación de titanio TC4 a temperatura de nitrógeno líquido, y se compara con la microestructura y propiedades a temperatura ambiente. Se revela el mecanismo de deformación macroscópico y microscópico del aumento simultáneo en la elongación y el índice de endurecimiento de la aleación de titanio a baja temperatura, lo que proporciona una base fundamental para el mecanismo de deformación a baja temperatura y el diseño de refuerzo y tenacidad de la aleación de titanio. Basado en las pruebas de tracción uniaxial a temperatura ambiente (298 K) y a baja temperatura (77 K), se compararon y analizaron los efectos de la baja temperatura en la resistencia al rendimiento, la elongación, la resistencia a la tracción y la curva de endurecimiento por trabajo de la aleación de titanio. Se encontró una mejora sinérgica en la resistencia/plasticidad de la aleación de titanio TC4 bajo deformación a baja temperatura. A baja temperatura, la resistencia al rendimiento, la resistencia a la tracción y la elongación de la aleación de titanio TC4 mejoran en comparación con la temperatura ambiente. La resistencia a la tracción aumenta de 847.93 MPa a 298 K a 1318.70 MPa a 77 K, y la elongación aumenta del 21.8% a 298 K al 24.9% a 77 K. La morfología de grano, la orientación de grano, la densidad de dislocaciones y la morfología de fractura de la aleación de titanio bajo condiciones de tracción a temperatura ambiente y a baja temperatura se estudiaron mediante SEM y EBSD. Los resultados de la caracterización de la morfología de fractura a temperatura ambiente y a baja temperatura muestran que la aleación de titanio TC4 exhibe características de fractura dúctil y se forman una gran cantidad de hoyuelos en la superficie de fractura. La profundidad de los hoyuelos a baja temperatura es más superficial que a temperatura ambiente y la superficie general es más plana. En comparación con la deformación a temperatura ambiente, el proceso de deformación de la aleación de titanio TC4 en un entorno de baja temperatura produce un mayor apilamiento de dislocaciones y forma una gran cantidad de gemelos, pero la rotación de grano es más significativa, lo que alivia efectivamente la concentración de estrés y retrasa la iniciación y propagación de grietas en los límites de grano.