Sama pentingnya dan digabungkan dengan metilasi DNA adalah demetilasi DNA, penghilangan gugus metil. Proses demetilasi diperlukan untuk pemrograman ulang epigenetik gen dan juga terlibat langsung dalam banyak mekanisme penyakit penting seperti perkembangan tumor. Ketika sebuah pulau CpG di wilayah promotor gen dimetilasi, ekspresi gen ditekan (dimatikan ). Penambahan gugus metil dikendalikan pada beberapa tingkat yang berbeda dalam sel dan dilakukan oleh keluarga enzim yang disebut DNA methyltransferases (DNMTs).