De materialen die in fietsframes worden gebruikt, zijn geëvolueerd van het vroegste chroom-molybdeenstaal naar aluminiumlegeringen en vervolgens naar composietmaterialen zoals koolstofvezel. Andere materialen zijn scandiumlegeringen, magnesiumlegeringen en titaniumlegeringen. Fabrikanten doen voortdurend onderzoek naar nieuwe materiaalformuleringen, verbeteren de mogelijkheden van buizen en structurele ontwerpen en innoveren verwerkingstechnologieën, allemaal om frames lichter, sterker, comfortabeler, gestroomlijnder en esthetisch aantrekkelijker te maken. Dichtheid is een van de belangrijkste factoren die het gewicht van een fietsframe bepalen; hoe lager de dichtheid, hoe lichter het frame kan zijn. Chroom-molybdeenstaal heeft een dichtheid van 7,9, aluminiumlegeringen 2,6-2,9, titanium 4,5, titaniumlegeringen 4,3-5,1, koolstofvezelcomposieten 1,6 en magnesiumlegeringen 1,7. Chroom-molybdeenstaal heeft dus de hoogste dichtheid, terwijl koolstofvezelcomposieten de laagste hebben. Naast het gewicht moet echter ook rekening worden gehouden met de treksterkte en de elasticiteitsmodulus van het frame. Daarom is, zelfs bij een lage dichtheid, onvoldoende sterkte ook ongewenst.
Momenteel zijn de belangrijkste materialen die worden gebruikt voor de vervaardiging van fietsframes: staal, aluminiumlegeringen, titaniumlegeringen, magnesiumlegeringen, scandiumlegeringen en koolstofvezel. Frames die vaak op de markt worden aangetroffen, zijn voornamelijk gemaakt van staal, aluminiumlegeringen, titaniumlegeringen en koolstofvezel. Scandiumlegeringen en magnesiumlegeringen zijn relatief nieuwe en minder vaak voorkomende materialen.
