Methyllithium ist aufgrund der partiellen negativen Ladung auf Kohlenstoff sowohl stark basisch als auch hochnukleophil und daher besonders reaktiv gegenüber Elektronenakzeptoren und Protonendonatoren. Im Gegensatz zu n-BuLi reagiert MeLi bei Raumtemperatur nur sehr langsam mit THF und Lösungen in Ether sind unbegrenzt stabil. Wasser und Alkohole reagieren heftig. Die meisten Reaktionen mit Methyllithium werden unterhalb der Raumtemperatur durchgeführt. Obwohl MeLi für Deprotonierungen verwendet werden kann, wird n-Butyllithium häufiger eingesetzt, da es weniger teuer und reaktiver ist.

Methyllithium wird hauptsächlich als synthetisches Äquivalent des Methylanion-Synthons verwendet. Beispielsweise reagieren Ketone in einem zweistufigen Prozess zu tertiären Alkoholen:

Ph2CO + MeLi → Ph2C(Me)OLi Ph2C(Me)OLi + H+ → Ph2C(Me)OH + Li+

Nichtmetallhalogenide werden mit Methyllithium in Methylverbindungen umgewandelt:

PCl3 + 3 MeLi → PMe3 + 3 LiCl

Bei solchen Reaktionen werden häufiger die Grignard-Reagenzien Methylmagnesiumhalogenide eingesetzt, die oft gleich wirksam sind, und weniger teuer oder leichter in situ hergestellt.

Es reagiert auch mit Kohlendioxid zu Lithiumacetat:

CH3Li + CO2 → CH3CO2-Li+

Übergangsmetallmethylverbindungen können durch Umsetzung von MeLi mit Metallhalogeniden hergestellt werden. Besonders wichtig ist die Bildung von Organokupferverbindungen (Gilman-Reagenzien), von denen Lithiumdimethylcuprat am nützlichsten ist. Dieses Reagenz wird häufig für nukleophile Substitutionen von Epoxiden, Alkylhalogeniden und Alkylsulfonaten sowie für konjugierte Additionen von α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen durch Methylanion verwendet. Viele andere Übergangsmetallmethylverbindungen wurden hergestellt.

ZrCl4 + 6 MeLi → Li2ZrMe6 + 4 LiCl