Il metillitio è sia fortemente basico che altamente nucleofilo a causa della parziale carica negativa sul carbonio ed è quindi particolarmente reattivo nei confronti degli accettori di elettroni e dei donatori di protoni. A differenza di n-BuLi, MeLi reagisce solo molto lentamente con THF a temperatura ambiente e le soluzioni in etere sono indefinitamente stabili. Acqua e alcoli reagiscono violentemente. La maggior parte delle reazioni che coinvolgono il metillitio sono condotte al di sotto della temperatura ambiente. Anche se MeLi può essere utilizzato per deprotonations, n-butyllithium è più comunemente impiegato in quanto è meno costoso e più reattivo.

Il metillitio viene utilizzato principalmente come equivalente sintetico del metil anione synthon. Per esempio, chetoni reagiscono per dare alcoli terziari in un processo in due fasi:

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

non metallici alogenuri sono convertiti al metil composti con metillitio:

PCl3 + 3 MeLi → PMe3 + 3 LiCl

Tali reazioni più comunemente utilizziamo i reattivi di Grignard methylmagnesium alogenuri, che spesso sono altrettanto efficaci, e meno costoso o più facilmente preparati in situ.

Reagisce anche con anidride carbonica per dare acetato di litio:

CH3LI + CO2 → CH3CO2−Li+

I composti metil metallici di transizione possono essere preparati per reazione di MeLi con alogenuri metallici. Particolarmente importanti sono la formazione di composti organocopper (reagenti Gilman), di cui il più utile è il dimetilcuprato di litio. Questo reagente è ampiamente utilizzato per sostituzioni nucleofile di epossidi, alogenuri alchilici e alchil solfonati,nonché per aggiunte coniugate a α, composti carbonilici β-insaturi mediante anione metilico. Molti altri composti metil metallo di transizione sono stati preparati.

ZrCl4 + 6 MeLi → Li2ZrMe6 + 4 LiCl