Bahan yang digunakan dalam rangka sepeda telah berevolusi dari baja krom-molibdenum paling awal menjadi paduan aluminium, dan kemudian menjadi bahan komposit seperti serat karbon. Bahan lainnya termasuk paduan skandium, paduan magnesium, dan paduan titanium. Produsen terus-menerus meneliti formulasi bahan baru, meningkatkan kemampuan desain pipa dan struktur, serta berinovasi dalam teknologi pemrosesan, semuanya untuk membuat rangka lebih ringan, kuat, nyaman, dan lebih ramping serta estetis. Kepadatan merupakan salah satu faktor kunci yang menentukan berat rangka sepeda; semakin rendah kepadatannya, semakin ringan bingkainya. Baja krom-molibdenum memiliki kepadatan 7,9, paduan aluminium 2,6-2,9, titanium 4,5, paduan titanium 4,3-5,1, komposit serat karbon 1,6, dan paduan magnesium 1,7. Dengan demikian, baja krom-molibdenum memiliki kepadatan tertinggi, sedangkan komposit serat karbon memiliki kepadatan terendah. Namun selain bobot, kekuatan tarik dan modulus elastisitas juga harus diperhatikan pada rangka. Oleh karena itu, meskipun kepadatannya rendah, kekuatan yang tidak mencukupi juga tidak diinginkan.
Saat ini bahan utama yang digunakan untuk pembuatan rangka sepeda antara lain: baja, paduan aluminium, paduan titanium, paduan magnesium, paduan skandium, dan serat karbon. Rangka yang umum ditemukan di pasaran sebagian besar terbuat dari baja, paduan aluminium, paduan titanium, dan serat karbon. Paduan skandium dan paduan magnesium merupakan material yang relatif baru dan kurang umum.
