メチルリチウムは、炭素上の部分的な負電荷のために強く塩基性であり、求核性が高いため、電子受容体およびプロトン供与体に対して特に反応性がある。 N-BuLiとは対照的に、MeLiは室温でTHFと非常にゆっくりと反応し、エーテル中の溶液は無期限に安定である。 水とアルコールは激しく反応する。 メチルリチウムを含むほとんどの反応は室温以下で行われる。 MeLiは脱プロトン化に使用することができるが、n-ブチルリチウムはより安価で反応性が高いため、より一般的に使用される。

メチルリチウムは、主にメチルアニオンシントンの合成等価物として使用されます。 例えば、ケトンは二段階のプロセスで三級アルコールを与えるために反応する：

Ph2Co+MeLi→Ph2C(Me)OLi Ph2C(Me)OLi+H+→Ph2C(Me)OH+Li+

非金属ハロゲン化物は、メチリチウムでメチル化合物に変換される：

Pcl3+3MeLi→Pme3+3LiCl

このような反応は、より一般的にグリニャール試薬メチルマグネシウムハロゲン化物を用いている。またはより容易にその場で調製する。

また、二酸化炭素と反応して酢酸リチウムを与える:

Ch3Li+CO2→CH3CO2−Li+

遷移金属メチル化合物は、MeLiと金属ハロゲン化物との反応によって調製することができる。 特に重要なのは、有機銅化合物（Gilman試薬）の形成であり、その中で最も有用なのはジメチルカプレートリチウムジメチルカプレートである。 この試薬は、エポキシド、アルキルハロゲン化物およびアルキルスルホン酸塩の求核置換、ならびにメチルアニオンによるα、β-不飽和カルボニル化合物への共役付加に広く使用されている。 他の多くの遷移金属メチル化合物が調製されている。Zrcl4+6MeLi→Li2Zrme6+4LiCl