Ilmenit thường chứa một lượng đáng kể magiê và mangan và công thức hóa học đầy đủ có thể được viết như sau (Fe,Mg,Mn,Ti)O3. Ilmenit hình thành từ dung dịch rắn với geikielit (MgTiO
3) và pyrophanit (MnTiO
3), là những chất cuối của chuỗi dung dịch rắn chứa mangan và mangan-sắt.

Mặc dù có dấu hiệu của một dãi khoáng vật (Fe,Mg,Mn,Ti)O3 xuất hiện trên Trái Đất, nhưng phổ biến nhất là loại ilmenit có thành phần FeTiO
3 với một lượng nhỏ Mn và Mg. Một điểm ngoại lệ là các ilmenit của kimberlit, nơi mà khoáng vật thường chứa phần lớn các phân tử geikielit, và trong một số đá felsic có độ phân dị cao, ilmenit có thể chứa một lượng lớn các phân tử pyrophanit.

Ở nhiệt độ cao hơn, người ta chứng minh rằng có một dung dịch rắn hoàn toàn giữa ilmenit và hematit. Có thể có một khoảng trộn lẫn ở nhiệt độ thấp hơn làm cho hai khoáng vật này cùng có mặt trong các đá nhưng không có dung dịch rắn nào. Điều này có thể là kết quả từ sự quá bão hòa trong các ilmenit bị nguội đi chứa nhiều sắt hơn là được sắp xếp một cách đồng nhất trong các ô mạng của tinh thể.

Ilmenit bị biến đổi tạo thành khoáng vật leucoxen, là một nguồn quan trọng cung cấp titan trong các mỏ cát chứa khoáng vật nặng. Leucoxen là một thành phần đặc trưng của các đá gabro và diorit bị biến đổi và là dấu hiệu nhận biết ilmenit trong đá chưa bị biến đổi.