DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳修飾方式，主要涉及DNA甲基轉移酶催化胞嘧啶轉化為5-甲基胞嘧啶。這種修飾通常發生在CpG二核苷酸的5'端，且這種修飾過程以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)為甲基供體。DNA甲基化能夠引起染色質結構的改變，使DNA失去某些酶的切割位點和敏感位點，同時導致染色質高度螺旋化和凝縮，從而影響轉錄活性。
甲基化的胞嘧啶在5位發生脫氨基作用，可能生成胸腺嘧啶，這可能導致基因突變和鹼基錯配，如果不被及時糾正，可能誘發遺傳病或癌症。此外，DNA甲基化還與基因表達調控、細胞分化、基因組印跡、X染色體失活等多種生物學過程密切相關。在脊椎動物中，DNA甲基化狀態與生長發育調控緊密相關，例如在腫瘤發生時，抑癌基因的CpG島外的CpG序列非甲基化程度增加，而CpG島中的CpG則呈高度甲基化狀態，這導致抑癌基因表達的下降。
研究還發現，DNA甲基化可以隨DNA複製過程遺傳給新生的子代DNA，是一種穩定的、可遺傳的表觀遺傳機制。