DNA甲基化是最早被發現的修飾途徑之壹，大量研究表明，DNA甲基化可導致染色質結構、DNA構象、DNA穩定性以及DNA與蛋白質相互作用的方式發生變化，從而控制基因的表達。
在甲基轉移酶的催化下，甲基被選擇性地添加到DNA的CG兩個核苷酸的胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶，它通常存在於基因的5'-CG-3'序列中。大多數脊椎動物基因組 DNA 中都有少量甲基化胞嘧啶，這些甲基化胞嘧啶集中在基因 5'末端的非編碼區，並且成簇存在。甲基化位點可隨 DNA 復制而遺傳，因為 DNA 復制允許甲基化酶對新合成的未甲基化位點進行甲基化。DNA 甲基化可導致基因失活。
DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基嘌呤（N6-mA）和7-甲基鳥嘌呤（7-mG）
結構基因含有許多CpG結構、2CpG和2GPC中兩個胞嘧啶的5個碳原子通常被甲基化，兩個甲基在DNA雙鏈溝中具有特定的三維結構。基因組中 60% 至 90% 的 CpGs 被甲基化，未甲基化的 CpGs 形成 CpG 島群，位於結構基因啟動子的核心序列和轉錄起始位點。研究表明，高甲基化會抑制轉錄，DNA 甲基化會導致基因組相應區域的染色質結構發生變化，從而導致核酸酶和限制性內切酶的 DNA 切割位點缺失。DNA 甲基化會導致基因組相應區域的染色質結構發生變化，使 DNA 失去核酸酶、限制性內切酶的裂解位點和 DNA 酶的敏感位點，從而導致染色質高度螺旋化、縮合，並喪失轉錄活性5：T2G，如果在細胞分裂過程中不加以糾正，就會導致遺傳性疾病或癌癥，而生物體甲基化的方式是穩定和可遺傳的。
DNA甲基轉移酶有兩種類型：1）DNM T1，壹種持久的 DNA 甲基轉移酶--作用於只有壹條鏈被甲基化的 DNA 雙鏈，使其完全甲基化，可參與復制 DNA 雙鏈中新合成鏈的甲基化；DNM T1 可能與 HDAC（組蛋白去乙酰轉移酶）直接相關，而 HDAC 是壹種 DNA 甲基轉移酶。DNM T1 可與 HDAC（組蛋白去乙酰轉移酶）結合直接阻斷轉錄；2）DNM T3a 和 DNM T3b 從屬甲基轉移酶，可使 CpG 甲基化，使其半甲基化，然後完全甲基化。DNM T3a、DNM T3b 和 DNM T3b 對 CpG 進行甲基化，使 CpG 半甲基化，然後完全甲基化。
DNA去甲基化有兩種途徑：1）被動途徑：由於核因子N F對甲基化DNA的粘附作用，粘附位點附近的DNA不能被完全甲基化，從而阻斷了DNM T1的作用；2）主動途徑：通過去甲基化酶的作用，去除甲基的過程。在 DNA 甲基化阻斷基因表達的過程中，甲基化 CpG 粘附蛋白發揮了重要作用。雖然甲基化的 DNA 可直接作用於對甲基化敏感的轉錄因子（E2F、CREB、A P2、CM yc?M yn、N F2KB、Cmyb、Ets），使其失去 DNA 結合功能，從而阻斷轉錄，但甲基化的 CpG 粘附分子可作用於對甲基化不敏感的轉錄因子（SP1、CTF、YY1），使其失活，從而阻斷轉錄。目前已發現五種具有恒定甲基化 DNA 結合域（MBD）的甲基化 CpG 黏附蛋白。其中，M ECP2、MBD1、
MBD2和MBD3參與甲基化相關的轉錄抑制；MBD1具有糖基轉移酶活性，可從錯配堿基對T?G中去除T。在不含 M ECP1 復合物的 MBD2 缺陷小鼠細胞中，甲基化基因的表達並未被有效阻止。這表明甲基化 CpG 粘附蛋白在 DNA 甲基化模式的選擇以及 DNA 甲基化與組蛋白去乙酰化和染色質重組的相互聯系中發揮著重要作用。