硫酸二甲酯可以用于醚類、醛類等有機化工原料的合成。例如重要的有機化工原料、溶劑和有機合成中間體——芳香醚，其最基本的制備方法是通過威廉姆遜合成法，其中硫酸二甲酯可作為甲基化試劑與苯酚反應合成芳香醚，主要反應歷程分兩步，首先苯酚與堿反應得到苯酚鈉，生成的苯酚鈉鹽再與硫酸二甲酯反應合成苯甲醚。該反應為非均相反應。該過程的優點是硫酸二甲酯的價格相對其他甲基化試劑價格低廉，缺點是硫酸二甲酯的甲基化反應工業上采用低溫間歇操作法生產，導致生產效率低、能耗高、勞動強度大，而且硫酸二甲酯有較強的毒性且致癌，對人的身體健康帶來了隱患，再加上生產過程中產生大量工業廢水，對環境污染嚴重。