С 1943 г. – участник Великой Отечественной войны, командир корабля особой группы Ставки Верховного Главнокомандования при Беломорской военной флотилии Северного флота. Вел ледовую разведку, поиск немецких подводных лодок, спасение экипажей потопленных судов и разбившихся самолётов. В октябре-ноябре 1943 г. в сложных погодных условиях вел ледовую разведку и обеспечил вывод из Карского моря в Архангельск отряда ледоколов. Тогда же первым стал производить беспосадочные перелеты по маршруту Архангельск-Диксон, проводя в воздухе по 16-18 часов. В 1944 г. выполнил важное правительственное задание по перегону группы гидросамолетов южным маршрутом (США – Южная Америка – Африка – Кавказ).
После войны продолжал службу в Арктике, а потом в Управлении Полярной авиации Главсевморпути. М.А. Титлов стал одним из наиболее выдающихся советских полярных летчиков.
