脱甲基化（英语：Demethylation）是一种结果使得甲基（CH3）从一个分子上脱下的化学反应。最常见的脱甲基化方法是将氢原子置换掉甲基，结果也就是使得净损失一个碳原子与两个氢原子。

脱甲基化的对应物是甲基化。

在生物化学系统中，脱甲基化的过程是被脱甲基酶（英语：Demethylase）催化进行的。 这些酶氧化N-甲基，发生在组蛋白和某些形式的DNA中：

一种这样的氧化酶家族是细胞色素P450。