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  正丁基鋰在固態與大部分溶劑中,均以原子簇的形式存在。有機鋰化合物通常有聚集的傾向。正丁基鋰的原子簇,是由鋰和丁基末端的碳以離域共價鍵結合。以正丁基鋰為例,原子簇為四聚體(在醚中)或六聚體(在環己烷中)。其四聚體形成扭曲的立方烷結構,其中鋰與"C"HR基的末端碳位於交錯的頂點上。也可視為Li的正四面體與["C"HR]的正四面體互相交錯而成的結構。原子簇內的鍵結類似乙硼烷,但因包含八個原子而更為複雜。由於正丁基鋰缺乏電子的特性,對路易斯鹼具有高度反應性。  由於碳(2.55)與鋰(0.98)電負度的巨大差異,C-Li鍵是高度極性的,電荷分離度估計約在55-95%。因此在實際用途上,正丁基鋰通常可當作丁基陰離子"n"-Bu與鋰陽離子Li,儘管這是不正確的:正丁基鋰並不是離子化合物。

  標準的正丁基鋰製備方式,是將溴丁烷或氯丁烷與金屬鋰反應: 此反應中的鋰含有1-3%的鈉。反應使用的溶劑可為苯、環己烷或乙醚。當使用溴丁烷為起始物時,產物為一均勻的溶液,含有溴化鋰及正丁基鋰的混合原子簇;而正丁基鋰與氯化鋰形成較弱的錯合物,故若使用氯丁烷為起始物,會產生氯化鋰的沉澱。

  正丁基鋰是一種強鹼,但依反應物的不同,也可作為強親核劑與還原劑。正丁基鋰中的鋰核心易與非質子性路易斯鹼,如醚與叔胺結合,使原子簇解聚。當作為一種強鹼使用時,此反應通常稱為金屬化反應(metalation)。反應通常於四氫呋喃及乙醚中進行,因為醚類是有機鋰衍生物的優良溶劑(見下文)。

  正丁基鋰最有用的化學性質之一,是它能將許多弱布朗斯特酸去除質子。叔丁基鋰與仲丁基鋰的鹼性更強。正丁基鋰可將許多種碳-氫鍵去除質子,尤其當共軛鹼可由電子離域化作用或雜原子(非碳原子)所穩定時。例子包括末端炔("H"-CC-R)、甲基硫醚("H"-CHSR)、硫縮醛("H"-CH(SR),如二硫烷)、甲基膦("H"-CHPR)、呋喃、噻吩、二茂鐵(Fe("H"-CH)(CH)等。去除質子反應產物丁烷的高穩定性與揮發性帶來使用上的方便,但在大規模反應中,也會因產生大量易燃氣體而成為問題。  正丁基鋰的動力學鹼性強度受到溶劑與共溶劑的影響。能與Li形成錯合物的配體,如四氫呋喃(THF)、四甲基乙二胺(TMEDA)、六甲基磷醯胺(HMPA)及1,4-二氮雜雙環[2.2.2]辛烷(DABCO)能使Li-C鍵結更為極性化,故能增進金屬化反應的速率。這些錯合物亦對鋰化反應產物的分離有所助益,如著名的例子二鋰代二茂鐵。  Schlosser鹼是一種混合正丁基鋰與叔丁氧鉀的超強鹼。在動力學上此鹼的反應性比正丁基鋰更佳,因此常被用於較為困難的金屬化反應。丁氧基陰離子與鋰形成錯合物,因此產生了比鋰試劑反應性更高的丁基鉀。  使用正丁基鋰為鹼的一個例項是胺基與碳酸二甲酯的加成,其中正丁基鋰扮演將胺去除質子的角色:

  正丁基鋰與一些有機溴化物與碘化物發生置換反應,產生對應的有機鋰衍生物。此反應通常無法對有機氯化物或氟化物進行:  此反應在製備許多有機鋰化合物上非常實用,尤其是芳基鋰與某些乙烯基鋰。然而,此反應的實用性依然嚴重受到限制,由於反應混合物中的丁基溴與丁基碘,會與新產生的有機鋰化合物反應。另外正丁基鋰亦可當作鹼,以脫鹵化氫反應與置換反應競爭:  由於碘-鋰交換的速率比溴-鋰交換高數個數量級,當使用RI時這些副反應的傾向比使用RBr大幅降低。因此芳基、乙烯基與伯烷基碘是較佳的選擇,而通常使用叔丁基鋰而非正丁基鋰為試劑,因為產生的叔丁基碘會迅速與叔丁基鋰發生脫鹵化氫反應而消耗掉(因此需要2當量的叔丁基鋰)。另外,乙烯基鋰也可由乙烯基鹵化物(如環己烯基氯)與鋰金屬直接反應,或經由錫-鋰交換而產生(見下一章節)。

  轉換金屬反應是一類與此相關的反應,顧名思義,是兩種有機金屬化合物交換金屬的反應。許多此類反應包含鋰與錫的交換: 在製備有機鋰化合物時,錫-鋰交換反應與鹵素-鋰交換反應相比,有一個重要的優點,因為產物中的錫化合物(如上述例子中的CHSnMe)對鋰試劑的反應性比對應的鹵化物(如CHBr或CHI)低很多。其他可進行此類轉換反應的金屬與類金屬包括有機汞、硒與碲化物。

  包括正丁基鋰在內的有機鋰化合物,可被用於某些醛與酮的合成。一種合成途徑是使用有機鋰與雙取代醯胺反應:

  正丁基鋰能與某些活化的末端烯烴,如苯乙烯、丁二烯甚至乙烯進行加成反應,產生新的有機鋰化合物。此反應是商業上應用丁基鋰製造聚苯乙烯與聚丁二烯的基礎:

  四氫呋喃能被正丁基鋰去除與氧相鄰的四個質子之一,尤其在TMEDA的存在下反應更易進行。此反應消耗正丁基鋰併產生丁烷,並引發環加成反應的逆反應,產生乙醛的烯醇鹽與乙烯。因此以四氫呋喃為溶劑的正丁基鋰反應,通常在低溫(如-78 °C,可由乾冰與丙酮的混合冰浴簡易產生)下進行。稍高的溫度(-25 °C甚至-15 °C)亦有所使用。

  當正丁基鋰加熱時,發生與其他具有β氫的有機鋰化合物相似的反應,脫去β氫陰離子併產生1-丁烯與氫化鋰:

  在合理的化學認知中,正丁基鋰必須在惰性氣體的密封系統中儲存與使用,以防止試劑失去活性並維持安全。正丁基鋰與水劇烈反應: 正丁基鋰亦與二氧化碳反應,產生戊酸鋰:  叔丁基鋰極易與空氣與水分反應,其水解反應放出的熱量足夠點燃溶劑(通常為四氫呋喃、乙醚或己烷),因此當接觸空氣時便會點燃。在某些情況下(如針頭中),正丁基鋰由於產生鋰的氧化物與氫氧化物作為屏障,可能會自行隔絕空氣,阻止進一步與氧氣反應。這種情況類似在鋁金屬表面形成的氧化層。叔丁基鋰具有自燃性,而正丁基鋰則無,但為防止分解仍應於乾燥的氮氣中使用。
正丁基鋰(英文簡稱BuLi),常簡稱為丁基鋰,是最重要的有機鋰化合物。其被廣泛使用於彈性聚合物如聚丁二烯與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯樹脂(SBS)的聚合起始劑。也常在工業上與實驗室中,用於有機合成中的強鹼(超強鹼)。