Ý tưởng tìm kiếm xác tàu Titanic và thậm chí trục vớt nó từ đáy biển đã xuất hiện chỉ một thời gian ngắn sau khi con tàu đắm. Nhưng những nỗ lực xác định vị trí chính xác của nó mãi tới ngày 1 tháng 9 năm 1985 mới mang lại thành công, khi một nhóm thám hiểm hỗn hợp Mỹ-Pháp do Jean-Louis Michel tại Ifremer và Tiến sĩ Robert Ballard tại Viện Hải dương Woods Hole dẫn đầu, trên con tàu tìm kiếm Knorr, đã phát hiện thấy xác tàu qua camera video trên tàu lặn Argo. Xác tàu được tìm thấy ở độ sâu 12.500 feet (3800 m), phía đông nam Newfoundland ở 41°43′55″B 49°56′45″T / 41,73194°B 49,94583°T / 41.73194; -49.94583, cách 13 hải lý (24 km) so với vị trí mọi người thường cho là Titanic đang yên nghỉ.

Khám phá đáng chú ý nhất của đội là việc chiếc tàu đã vỡ đôi, phần đuôi nằm cách phần mũi 1.970 feet (600 m) và nằm ngược chiều. Đã có nhiều lời tường thuật không đồng nhất từ phía các nhân chứng về việc chiếc tàu có bị vỡ ra hay không, và cả những cuộc điều tra của người Anh và người Mỹ đều cho rằng chiếc tàu chìm ở tình trạng nguyên vẹn. Tới tận khi xác tàu được tìm thấy, ý kiến chung vẫn cho rằng con tàu không hề bị vỡ. Năm 2005, một lý thuyết cho rằng một phần phía dưới của Titanic đã vỡ ra ngay trước khi con tàu vỡ làm đôi.[25] Lý thuyết này dựa trên cuộc khảo sát hai mảnh thân tàu do History Channel tài trợ.[26]

Phần mũi đã chìm sâu hơn 60 feet (18 m) trong lớp bùn đáy biển. Ngoài những phần gãy vỡ, mũi tàu hầu như còn nguyên vẹn, bởi nước bên trong đã cân bằng với áp lực nước bên ngoài. Phần đuôi ở tình trạng kém hơn. Khi phần đuôi chìm, nước đẩy không khí bên trong ra khiến vỏ và boong phần này bị xé rách. Tốc độ rơi xuống đáy biển của phần đuôi cũng khiến hư hại càng nặng thêm. Xung quanh xác tàu là một vùng rộng lớn những mảnh rác (gồm cả rất nhiều than), đồ đạc, đồ ăn và các vật dụng cá nhân trên diện tích hơn một dặm vuông (2.6 km²). Những vật liệu mềm, như gỗ và thảm, đã bị các sinh vật dưới đáy biển tiêu huỷ. Những xác người cũng cùng số phận.

Những lần khám phá sau vào khu vực boong thấp của tàu, như được tường thuật lại trong cuốn Ghosts of the Titanic của tiến sĩ Charles Pellegrino, cho thấy đa số đồ gỗ trong phòng khánh tiết của Titanic vẫn nguyên vẹn. Một lý thuyết mới đã xuất hiện cho rằng đa phần đồ gỗ tại các boong phía trên không bị các sinh vật biển phá hủy mà chỉ bị rơi ra và trôi mất. Lý thuyết này được lời chứng từ phía các nạn nhân còn sống sót ủng hộ. Tương tự, khi quay bộ phim Titanic của James Cameron, đồ vật tại Cầu thang chính rơi ra khi chúng bị nước tràn vào trong cảnh nước tràn vào tàu. Điều này khiến nhà sử học Don Lynch và nghệ sĩ Ken Marschall tin rằng điều xảy ra trên thực tế tại Cầu thang chính cũng tương tự (như được đề cập trong phần bình luận DVD của bộ phim).

Dù cuộc điều tra của Anh đã quả quyết rằng về mặt toán học hư hại xảy ra với con tàu không thể lớn hơn mười hai feet vuông, trong quan niệm của mọi người núi băng đã cắt một vệt dài 300 feet (90 m) vào sườn Titanic. Vì phần vỏ tàu bị núi băng làm hư hại đã chìm trong bùn, các nhà khoa học phải sử dụng siêu âm để xem xét khu vực và phát hiện núi băng đã làm vỡ vỏ tàu, khiến nước tràn vào trong Titanic giữa các tấm thép. Trong những lần lặn tiếp sau, các nhà khoa học đã mang lên nhiều mảnh nhỏ của vỏ tàu. Một cuộc phân tích chi tiết cho thấy tấm thép vỏ tàu đã mất tính dẻo và trở nên giòn trong nước băng lạnh, khiến nó có khả năng chống biến dạng kém. Hơn nữa, những đinh tán vỏ tàu còn mỏng manh hơn mọi người từng nghĩ. Không biết liệu những đinh tán làm bằng thép tốt hơn có thể cứu vãn con tàu được không.

Những mẫu thép lấy lên từ xác tàu cho thấy chúng chứa phần trăm phốt pho và lưu huỳnh rất cao (bốn lần và hai lần lớn hơn loại thép thông thường ngày nay), với tỷ lệ măng gan-sun phua là 6.8:1 (so với tỷ lệ 200:1 của thép hiện nay). Tỷ lệ phốt pho cao gây ra các vết nứt, sun phua hình thành các hạt thép sulphide khiến những vết nứt dễ kéo dài hơn, và việc thiếu măng gan khiến thép giảm tính dẻo. Các mẫu được tìm thấy trải qua quá trình chuyển đổi mềm-giòn ở nhiệt độ 32 °C (theo chiều dọc) và 56 °C (theo chiều ngang—so với nhiệt độ chuyển đổi −27 °C với thép ngày nay— thép ngày nay sẽ trở nên giòn như vậy trong khoảng nhiệt độ −60 và −70 °C). Tính không đẳng hướng như vậy có lẽ do quá trình cán nóng ảnh hưởng tới hướng kết hợp của sulphide. Có lẽ loại thép này đã được sản xuất tại các lò acid-lined, open-hearth ở Glasgow, điều này có thể giải thích thành phần cao của phốt pho và sun phua, thậm chí so với cả thép thời ấy.[27]

Tiến sĩ Ballard và đội thám hiểm của ông không hề mang lên một đồ vật nào , vì coi đó như hành động cướp lăng mộ. Tuy nhiên, theo luật hàng hải quốc tế, việc phát hiện đồ vật còn lại là hành động cần thiết để thiết lập quyền khai thác đối với một xác tàu. Những năm sau khi được khám phá, Titanic đã trở thành chủ đề của một số vụ kiện tụng liên quan tới quyền sở hữu những đồ vật tại vị trí xác tàu.