Demetylaatio on kemiallinen prosessi, jossa molekyylistä poistuu metyyliryhmä (-CH3). Useimmiten metyyliryhmä korvautuu vetyatomilla, jolloin yhdisteen rakenteesta häviää yhteensä yksi hiili- ja kaksi vetyatomia.
Biokemiallisissa prosesseissa demetylaation katalysoi yleensä jokin sytokromi P450 (CYP) -ryhmän entsyymi tai sieniperäisesti esimerkiksi aromaattiset peroksigenaasientsyymitoiminnot, kuten Agrocybe aegerita -sienen peroksigenaasi.