ไดเมทิลซัลเฟตใช้หลักly เป็นสารเมทิลเลติงเอเจนต์ในการสังเคราะห์อินทรีย์ โดยถ่ายโอนหมู่เมทิลไปยังนิวคลีโอไฟล์ เช่น อะมีน ฟีนอล และไทออล ทำให้มีคุณค่าสำคัญในการผลิตยา สีย้อม และสารเคมีเกษตร โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประสิทธิภาพสูงในการเมทิลเลชันหมู่ฮีดรอกซิลอะโรมาติกในสารประกอบฟีนอล ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการสังเคราะห์ยาบางชนิดและสารต้านอนุมูลอิสระ เนื่องจากมีปฏิกิริยาสูง จึงนำมาใช้ในการเตรียมสารแอมโมเนียมไตรเทอร์นารีและปรับเปลี่ยนผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ นอกจากนี้ มักใช้แทนสารเมทิลเลติงอื่นที่ราคาแพงกว่า อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีพิษสูง ก่อให้เกิดมะเร็ง และอันตรายต่อระบบทางเดินหายใจและดวงตา การใช้จึงจำกัดในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ควบคุมด้วยมาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวด