Methyllithium is zowel sterk basisch als zeer nucleofiel vanwege de partiële negatieve lading op koolstof en is daarom bijzonder reactief naar elektronenacceptoren en protondonors. In tegenstelling tot n-BuLi, reageert MeLi slechts zeer langzaam met THF bij kamertemperatuur, en oplossingen in ether zijn voor onbepaalde tijd stabiel. Water en alcoholen reageren heftig. De meeste reacties waarbij methyllithium betrokken is, worden onder kamertemperatuur uitgevoerd. Hoewel MeLi kan worden gebruikt voor deprotonaties, wordt n-butyllithium vaker gebruikt omdat het minder duur en meer reactief is.

Methyllithium wordt voornamelijk gebruikt als het synthetische equivalent van het methylanion synthon. Ketonen reageren bijvoorbeeld om tertiaire alcoholen te geven in een tweestapsproces:

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

niet-metalen halogeniden worden met methyllithium omgezet in methylverbindingen:

PCl3 + 3 MeLi → Pme3 + 3 LiCl

dergelijke reacties maken vaker gebruik van de Grignardreagentia methylmagnesiumhalogeniden, die vaak even effectief zijn, minder duur of gemakkelijker zijn ter plaatse bereid.

het reageert ook met kooldioxide tot Lithiumacetaat:

CH3Li + CO2 → CH3CO2-Li +

Transitiemetaal methylverbindingen kunnen worden bereid door reactie van MeLi met metaalhalogeniden. Vooral belangrijk zijn de vorming van organocopper verbindingen (Gilman reagentia), waarvan de meest bruikbare is lithium dimethylcupraat. Dit reagens wordt veel gebruikt voor nucleofiele substituties van epoxiden, alkylhalogeniden en alkylsulfonaten, evenals voor geconjugeerde toevoegingen aan α,β-onverzadigde carbonylverbindingen door methylanion. Vele andere transitiemetaal methylverbindingen zijn bereid.

ZrCl4 + 6 MeLi → Li2ZrMe6 + 4 LiCl