Настоящее изобретение относится к областям металлургии, а именно к способам термической обработки высоколегированных псевдо-β титановых сплавов. Способ термической обработки крупногабаритных изделий из высокопрочного титанового сплава, содержащего, мас.%: 4,0…6,3 алюминия, 4,5…5,9 ванадия, 4,5…5,9 молибдена, 2,0…3,6 хрома, 0…5 циркония, 0…6 олова, 0…0,5 кремния, титан и неизбежные примеси - остальное, включает охлаждение со скоростью V1<3°С/мин из однофазной β-области до температуры T1<370°С и последующее старение при температуре Т2=370…600°С в течение 1…12 часов. После старения дополнительно осуществляют нагрев и обработку сплава в интервале температур Т3=Т2…Тβ в течение 1…12 часов, охлаждение со скоростью V2>V1 до температуры Т4, которая не выше температуры Т2, и последующее повторное старение в интервале температур Т2 в течение 1…12 часов. Обеспечивается повышение прочности и ударной вязкости.