Speziell für interplanetare Missionen ließ die NASA ab 1969 eine Variante der Titan-​III Rakete entwickeln mit Centaur Oberstufe anstelle der Transtage, wie sie bei der Titan-​IIIC eingesetzt wurde. Ursprünglich sollten diese Missionen mit Varianten der Saturn Rakete gestartet werden. Doch bald schon wurde klar, daß die Saturn auf den Einsatz im Apollo Programm beschränkt bleiben würde. Logische Alternative war die Titan-​III. Und mit der Centaur Stufe aus dem Atlas Programm verfügte man bereits über eine geeignete Hochleistungsoberstufe. Wie die Core-​Stufen der Titan hatte diese einen Durchmesser von 3,05 m, was die Anpassung erleichterte. Allerdings entschied man sich dafür, eine großvolumige Nutzlastverkleidung zu entwickeln, die auch die gesamte Oberstufe umhüllen sollte. Das vereinfachte die Ausführung der thermischen Isolierung. Bisher war diese bei der Atlas Rakete abtrennbar gestaltet und hatte sich lange Zeit als problematisch erwiesen. Zum Einsatz mit der Titan wurde nun eine fest montierte Aluminium-​Mylar Isolierung gewählt, was den Vorteil hatte, daß sich die Freiflugphase auf 5¼ Stunden ausdehnen ließ. Optimal auch für den Start geostationärer Kommunikationssatelliten, für den sich die Titan-​IIIE Centaur-​D1 T aber schließlich als zu teuer erwies.
Das Grundstufenpaket übernahm Martin Marietta praktisch unverändert von der ausschließlich militärisch eingesetzten Titan-​IIID. Diese ging auf die schwere ICBM Titan-​II zurück, aus der 1964 die Titan-​IIIA abgeleitet worden war. Die nächste in Dienst gestellte Variante war die Titan-​IIIC, praktisch eine Titan-​IIIA mit zwei großen Feststoff-​Boostern als Starttriebwerken. Mit knapp 26 m Länge und einem Gewicht von rund 232 t waren diese Feststofftriebwerke bis zur Indienststellung des Space Shuttle die größten ihrer Art. Interessant war auch das Aufstiegsprofil der neuen Titan-​IIIC. So wurden beim Start zunächst nur die beiden Feststoff-​Booster, die sogenannte „Nullstufe“ gezündet und das Triebwerk der 1. Stufe folgte erst kurz vor ihrem Brennschluß. Zu diesem Zeitpunkt war die Phase der höchsten aerodynamischen Belastung bereits überschritten und das Erststufentriebwerk erreichte seinen maximalen Schub gerade beim Abwurf der Booster. Im Laufe der Einsatzzeit wurden die Triebwerke LR-​87-​AJ5  bzw. LR-​91-​AJ5  gegen solche der Serien AJ-​9  und später AJ-​11  ausgetauscht. Die NASA forderte für den Einsatz der Titan-​IIIE zum Start ihrer wertvollen Nutzlasten eine Reihe von Detailverbesserungen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit. So wurde u.a. an der zweiten Core Stufe der Titan ein viertes Retro-​Triebwerk angebracht, um eine saubere Stufentrennung sicherzustellen.
Wie die Transtage Oberstufe verfügte auch die Centaur über einen eigenen Bordrechner und ein Inertialsystem (von Honeywell) mit 3 Kreiseln. Somit war die Stufe praktisch unabhängig von der Titan Rakete und konnte die Kurskontrolle über die Nutzlast übernehmen. Gegenüber dem Centaur-​D1 A Modell bei der Atlas wurde bei der Centaur-​D1 T noch mehr Wert auf Redundanz gelegt. So wurden die Tank-​Druckbeaufschlagung, das hydraulische Schwenksystem und das Wasserstoffperoxid System der Stufe überarbeitet. Daneben wurde eine leistungsfähigere Centaur Digital Computer Unit (DCU) von Teledyne Systems eingeführt.
Für die Centaur Standard Shroud (CSS) Nutzlastverkleidung griff man auf ein Modell zurück, das die USAF bereits in Verbindung mit der Titan-​IIID nutzte. Sie bestand weitgehend aus zwei versteiften Aluminium-​Halbschalen. Der Nasenkonus wurde aus einer Magnesium-​Thorium Legierung gefertigt mit einem Dom aus Edelstahl.
Speziell für Hochleistungsmissionen konnte die Titan-​IIIE Centaur-​D1 T noch mit einer zusätzlichen Kickstufe ausgerüstet werden. Die Wahl fiel auf den bewährten TE-​364 – 4  Antrieb der Star-​37 E Stufe. Zum Start der Helios Sonnensonden wurde er mitsamt dem Dralltisch von der Delta Rakete übernommen. Vor der Zündung der Endstufe wurde diese mitsamt der Nutzlast auf 120 min^–1  aufgedrallt. Für Nutzlasten, die sich nicht für eine Drallstabilisierung eigneten, konnte auch eine Modifikation der Burner II Oberstufe aufgesetzt werden. Auch diese hatte einen Thiokol TE-​364 – 4  Antrieb, war jedoch 3-​Achsen-​stabilisiert. Die zusätzliche Ausrüstung verringerte die mögliche Nutzlast um etwa 90 kg. Diese Variante kam zum Start der Voyager Raumsonden zum Einsatz. Obwohl das Triebwerk abtrennbar war, wurde es in dieser Variante jedoch als Teil des Raumfahrzeugs angesehen.