Методами рентгеновского фазового и металлографического анализов исследовано структурно-фазовое состояние поверхностных слоёв жаростойкого двухфазного титанового сплава ВТ-8 после лазерной обработки в различных газовых средах. Установлено, что лазерное оплавление в атмосферах аргона, азота и воздуха приводит к структурным изменениям в поверхностных слоях, в результате чего происходит рост их микротвёрдости. Показано, что при лазерной обработке в атмосфере аргона происходит полное полиморфное $\beta \to \alpha^{'}$-преобразование по мартенситному механизму, что вместе с ростом степени дисперсности структуры приводит к повышению значений микротвёрдости с 2,99 до 5,62 ГПа. Во время лазерного оплавления в атмосферах азота и воздуха изменение микротвёрдости обработанных поверхностей происходит вследствие комплексного действия нескольких факторов: повышения степени дисперсности структуры, образования высокопрочного кубического нитрида титана типа TiN и формирования пресыщенных твёрдых растворов внедрения азота и кислорода в решётке $\alpha$-титана. Перечисленные факторы вызывают рост микротвёрдости поверхностных слоёв зоны лазерного оплавления до 7,82 ГПа (в атмосфере азота) и 6,56 ГПа (в атмосфере воздуха).