丙二酸酯是有機合成中十分有用的試劑，能夠發生水解和脫羧反應，同時亞甲基較易形成碳負離子而發生酰化、烷基化、醛醇反應和Michael反應等。

一、酰化反應

丙二酸二乙酯的酰化反應會伴隨有部分水解和脫羧反應，此酰化反應可應用到β-酮酯的合成。丙二酸二乙酯水解脫去一個酯基，然后與苯甲酰氯(或類似物)發生酰化反應，隨后轉化成喹諾酮衍生物 (式1)。

二、烷基化反應

在堿 (如NaH 等) 的作用下，丙二酸二乙酯的亞甲基較易形成碳負離

子，進而可發生烷基化等反應 (式2)。

此外，丙二酸二乙酯的亞甲基也能夠發生氯代反應 (式3)。

三、與醛等的反應

在與醛或酮的反應中，經常發生環縮合反應。如在銅(II)的催化下，三聚甲醛與丙二酸二乙酯發生環合，形成六元環化合物 (式4)。

四、Michael反應

丙二酸二乙酯亞甲基所形成的碳負離子能夠與α,β-不飽和羰基化合物(或類似物)發生1,4-共軛加成反應 (式5，式6)。

五、成環反應 

在有機合成反應中，丙二酸二乙酯中的亞甲基除了能夠形成碳負離子而發生親核反應外，其酯基部分也能夠發生親核取代反應，多個反應位點的存在使得丙二酸二乙酯在與多官能團化合物反應時極易成環 (式7)。