Methyllithium es a la vez fuertemente básico y altamente nucleofílico debido a la carga negativa parcial en carbono y, por lo tanto, es particularmente reactivo hacia aceptores de electrones y donantes de protones. A diferencia del n-BuLi, MeLi reacciona muy lentamente con THF a temperatura ambiente, y las soluciones en éter son indefinidamente estables. El agua y los alcoholes reaccionan violentamente. La mayoría de las reacciones que involucran metilitio se llevan a cabo por debajo de la temperatura ambiente. Aunque el MeLi se puede usar para deprotonaciones, el n-butilitio se emplea más comúnmente ya que es menos costoso y más reactivo.

El metil litio se utiliza principalmente como el equivalente sintético del metil anión sintón. Por ejemplo, las cetonas reaccionan para dar alcoholes terciarios en un proceso de dos pasos:

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

Los haluros no metálicos se convierten en compuestos metílicos con metilitio:

PCl3 + 3 MeLi → PMe3 + 3 LiCl

Estas reacciones emplean más comúnmente los reactivos Grignard haluros de cesio de metilmagnesio, que a menudo son caro o más fácil de preparar in situ.

También reacciona con dióxido de carbono para dar acetato de litio:

CH3Li+ CO2 → CH3CO2−Li +

Los compuestos metílicos de metales de transición se pueden preparar por reacción de MeLi con haluros metálicos. Especialmente importante es la formación de compuestos organocopper (reactivos Gilman), de los cuales el más útil es el dimetilcuprato de litio. Este reactivo es ampliamente utilizado para sustituciones nucleofílicas de epóxidos, haluros de alquilo y sulfonatos de alquilo, así como para adiciones conjugadas a compuestos carbonílicos no saturados α,β por anión metilo. Se han preparado muchos otros compuestos metílicos de metales de transición.

ZrCl4 + 6 MeLi → Li2ZrMe6 + 4 LiCl