Zastosowanie Siarczan dimetylu jest stosowany głównie jako substrat w reakcjach metylowania fenoli, amin i tioli. Zwykle grupa metylowa jest wprowadzana do cząsteczki w czasie krótszym niż sekunda. Wprowadzenie grupy metylowej odbywa się według mechanizmu SN2. Chociaż siarczan dimetylu jest bardzo skuteczny i tani, jego toksyczność sprawia, że jest zastępowany przez inne reagenty. Jodometan jest stosowany jako reagent w reakcji O-metylowania, gdyż jest bardziej bezpieczny, choć droższy. Węglan dimetylu, który jest mniej toksyczny zarówno od siarczanu dimetylu, jak i jodometanu, może być stosowany w reakcji N-metylowania.
O-Metylowanie Siarczan dimetylu jest może być stosowany do metylowania fenoli. Niektóre alkohole również ulegają metylowaniu, w tym tert-butanol, który ulega przekształceniu w eter tert-butylowo-metylowy (MTBE):
Alkoholany ulegają gwałtownemu metylowaniu:
Metylowanie węglowodanów siarczanem dimetylu zostało opracowane przez Waltera Hawortha i jest nazywane metylowaniem Hawortha.
N-Metylowanie Siarczan dimetylu jest stosowany do otrzymywania i :
Czwartorzędowe sole amoniowe są stosowane jako surfaktanty lub zmiękczacze.