硫酸二甲酯遇堿迅速分解，遇水或濕氣時水解，在冷水中分解緩慢，產生硫酸氫甲酯和甲醇，隨溫度上升分解加快，在50℃時能生成硫酸二甲酯氣霧并水解為硫酸和甲醇。水解反應速率常數：1.7×10-4/s（25℃，pH=7，半衰期1.15 h），反應先生成硫酸一甲酯和甲醇 ，之后進一步水解生成硫酸，并伴有放熱 。
