在化學科學中，甲基化表示在底物上增加一個甲基，或用一個甲基取代一個原子（或基團）。甲基化是烷基化的一種形式，由一個甲基取代一個氫原子。這些術語通常用于化學、生物化學、土壤科學和生物科學。在生物系統中，甲基化是由酶催化的；這種甲基化可以參與重金屬的修飾、基因表達的調節、蛋白質功能的調節和RNA處理。組織樣本的體外甲基化也是減少某些組織學染色假象的方法之一。甲基化的反面是去甲基化。

在生物系統中，甲基化是由酶完成的。甲基化可以修改重金屬，調節基因表達、RNA加工和蛋白質功能。它已被認為是表觀遺傳學的一個關鍵過程。

甲烷生成是由二氧化碳生成甲烷的過程，涉及一系列的甲基化反應。這些反應是由一個厭氧微生物家族所擁有的一組酶來實現的。在反向產甲烷過程中，甲烷充當甲基化劑。

各種各樣的酚類經過O-甲基化處理，得到茴香醚衍生物。這個過程由咖啡酰-CoAO-甲基轉移酶等酶催化，是木質素的生物合成中的一個關鍵反應，木質素是植物的主要結構成分，是木質素的前體。植物產生的黃酮類化合物和異黃酮在羥基上有甲基化，即甲氧基鍵。這種5-O-甲基化會影響黃酮類化合物的水溶性。例如，5-O-甲基染料酶、5-O-甲基楊梅素或5-O-甲基槲皮素，也被稱為杜鵑花素。

與泛素和磷酸化一起，甲基化是修改蛋白質功能的一個主要生化過程。最普遍的蛋白質甲基化影響特定組蛋白的精氨酸和賴氨酸殘基。否則組氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、半胱氨酸都容易被甲基化。其中一些產品包括S-甲基半胱氨酸，N-甲基組氨酸的兩種異構體，以及N-甲基精氨酸的兩種異構體。

蛋氨酸合成酶從高半胱氨酸（Hcy）再生蛋氨酸（Met）。整個反應將5-甲基四氫葉酸（N5-MeTHF）轉化為四氫葉酸（THF），同時將一個甲基轉移到Hcy，形成Met。蛋氨酸合成酶可以是依賴鈷胺的和不依賴鈷胺的。植物兩者都有，動物依賴甲基鈷胺的形式。在甲基鈷胺依賴型的酶中，反應通過乒乓反應的兩個步驟進行。酶最初被引向反應狀態，從N5-MeTHF向酶結合的鈷(Cob)中的Co(I)轉移一個甲基，形成甲基-鈷(Me-Cob)，現在含有Me-Co(III)并激活了酶。然后，與酶結合的鋅配合形成活性硫酸鹽的Hcy與Me-Cob反應。被激活的甲基從Me-Cob轉移到Hcy硫酸鹽，這使Cob中的Co(I)再生，Met從酶中被釋放。重金屬：砷、汞、鎘生物甲基化是將一些重金屬元素轉化為流動性更強或更致命的衍生物的途徑，可以進入食物鏈。砷化合物的生物甲基化是以形成甲烷醛酸鹽開始的。因此，三價無機砷化合物被甲基化，得到甲烷醛酸鹽。S-腺苷蛋氨酸是甲基供體。甲醛酸是二甲胂酸的前體，再次通過還原循環（變成甲基胂酸），然后再進行第二次甲基化。相關途徑適用于甲基汞的生物合成。表觀遺傳甲基化DNA/RNA甲基化脊椎動物的DNA甲基化通常發生在CpG位點。

這種甲基化的結果是將胞嘧啶轉化為5-甲基胞嘧啶。Me-CpG的形成是由DNA甲基轉移酶催化的。在哺乳動物中，DNA甲基化在體細胞中很常見，而CpG位點的甲基化似乎是默認的。人類DNA約有80-90%的CpG位點被甲基化，但有一些區域被稱為CpG島，富含CG（胞嘧啶和鳥嘌呤含量高，由約65%的CG殘基組成），其中沒有一個被甲基化。這些與56%的哺乳動物基因的啟動子有關，包括所有普遍表達的基因。人類基因組的百分之一到二是CpG簇，CpG甲基化和轉錄活性之間存在著反比關系。有助于表觀遺傳的甲基化可以通過DNA甲基化或蛋白質甲基化發生。