Aluminium ist seit Jahren der Standard, was das Material für Rennradrahmen betrifft. Aus dem leichten Metall werden die meisten Rahmen gefertigt, dadurch können auch für hochwertige Rahmen niedrige Preise erreicht werden. Neben dem Preis sind die weiteren Stärken von Aluminiumrahmen die Korrosionsbeständigkeit und die hohe Festigkeit trotz geringer Wandstärken. Im niedrigen und mittleren Preissegment führt bei Rennrad Rahmen kein Weg an Aluminium vorbei, nur im (Semi-) Profibereich hat Carbon als Rahmenmaterial die Nase vorn. Hier spielt die Robustheit von Aluminium nur noch eine untergeordnete Rolle.

Carbon ist der neue Trend bei den Materialien am Rennrad. Neben Anbauteilen wie Schaltgruppen, Kurbeln und Sätteln werden mittlerweile auch Rennrad-Rahmen aus Carbon gefertigt. Der größte Vorteil von Carbonrahmen ist das geringe Gewicht, aktuelle Rahmen aus Carbon liegen deutlich unter einem Kilogramm. Daneben haben Carbonrahmen eine hohe Verwindungsteifigkeit und das Fahrverhalten ist in der Regel komfortabler.
Trotz der zunehmenden Verbreitung von Carbon sind die Rahmen noch sehr teuer, ein vergleichbarer Aluminiumrahmen ist deutlich günstiger - Rennräder mit Carbonrahmen sind erst ab ca. 1500 € zu kaufen. Außerdem ist Carbon als Rahmenmaterial deutlich empfindlicher, insbesondere muss bei sämtlichen Verschraubungen (z.B. Sattelstütze, Gabel) auf das richtige Drehmoment geachtet werden, ein zu hohes Drehmoment kann die Faserstruktur des kohlefaserverstärkten Kunststoffs (so lautet die offizielle Bezeichnung für Carbon) zerstört werden, was zu Rahmenbrüchen führen kann. Aus diesem Grund sind auch Stürze für Carbonrahmen kritisch, nach denen der Rahmen sorgfältig auf Löcher und andere Beschädigungen überprüft werden sollte.

Aus Stahl und Titan werden heutzutage nur wenige Rennrad-Rahmen gefertigt, beide Materialien werden im Profi-Radsport aktuell nicht eingesetzt. Stahl war vor Aluminium der Hauptwerkstoff für Fahrradrahmen, ist heute aber nur noch etwas für Liebhaber. Leichte Stahlrahmen sind möglich, aber nur aufwändig herstellbar und damit teuer. Optisch fallen Rennrad-Rhamen aus Stahl durch die dünnen Rohre auf, da für die gleiche Festigkeit weniger Material benötigt wird. Technisch weisen Stahlrahmen gegenüber anderen Rahmenmaterialien wie Aluminium eine höhere Haltbarkeit auf.
Auch Titan-Rennradrahmen sind selten und exklusiv. Ihr Vorteil ist die besondere Haltbarkeit und das hervorragende Fahrverhalten. Titanrahmen sind sehr steif, allerdings auch relativ schwer. Durch die geringen Stückzahlen und die aufwändige Fertigung sind Rennrad-Rahmen aus Titan vergleichweise teuer.