蛋白质氨基酸残基上具有亲核性的N、O和S原子可分别从SAM甲基硫正离子的正后方进攻甲基碳原子，形成五配位反应过渡态，最终甲基被转移到亲核进攻的原子上，同时产生S-腺苷高半胱氨酸。

根据蛋白质的三级结构，至少已发现5种类型的蛋白质甲基转移酶（Ⅰ～Ⅴ）。第一种类型（Ⅰ型）具有7个高度一致的β折叠结构域。通常情况下，SAM与Ⅰ型甲基转移酶的结合通过两部分完成，腺嘌呤环与Ⅰ型甲基转移酶第一个β折叠域中的GXG基序结合以及核糖基与第二个β-折叠域中高度保守的酸性残基形成氢键。蛋白质精氨酸甲基转移酶（PRMT）为Ⅰ型的典型代表，其底物通常为富含甘氨酸和精氨酸结构域的蛋白质，单个独立的精氨酸也能够被PRMT催化甲基化。Ⅴ型甲基转移酶又称含有SET结构域的甲基转移酶，以蛋白质赖氨酸甲基转移酶（PKMT）为典型代表，这类甲基转移酶SAM的结合口袋具有高度保守性，具有一个其他类型甲基转移酶不具有的节样（knot-like）结构。SAM与底物各居于SET结构域相反的一面，通过一个狭窄的空腔连接在一起，两个底物在反应中分别从相反的方向进攻酶的活性位点，赖氨酸残基经PKMTs催化在疏水空腔中分别完成单、二或三甲基化，赖氨酸结合口袋的大小决定了甲基化多样性。Ⅳ型蛋白质甲基转移酶包含有六股平行的β折叠，并从侧面与7个α螺旋相连，前三个β折叠形成半个罗斯曼（Rossmann）折叠结构。活性位点位于一个同型二聚体邻近亚基的表面。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型蛋白质甲基转移酶的数量相对较少。

蛋白质甲基转移酶参与蛋白质甲基化，在基因转录调控、蛋白-蛋白相互作用、信号传导等过程中扮演着重要角色。由于其表达异常与肿瘤、病毒感染、心血管系统疾病等密切相关，蛋白质甲基转移酶也被作为药物作用靶点进行疾病干预。