硝基甲烷的合成可以通過幾種方法實現。其中一種是科爾伯硝基烷合成法，該方法涉及將等摩爾的α-鹵代酸與亞硝酸的鈉或鉀鹽的水溶液加熱，得到α-硝基梭酸鹽，再經失梭而生成硝基烷。這種方法適用於小量製備6個碳原子以下的硝基烷，特別是硝基甲烷。
另一種方法是直接加氫法，這種方法涉及將縮合反應液加入高壓釜中，加入甲醇和二氯甲烷，以及催化劑蘭尼鎳。在規定溫度和壓力下進行氫化反應，然後冷卻結晶並抽濾得到產品。
還有一種方法是氣相硝化法，該方法主要包括硝酸的熱分解形成自由基、甲烷與自由基進行氣相硝化、反應生成硝基甲烷和水。反應以水蒸氣作稀釋劑，在常壓下進行，反應溫度為300 ~ 500 ℃，在預定的溫度、壓力、停留時間條件下進行反應，反應後的混合物經冷凝、吸收及精餾等工藝步驟，製得硝基甲烷。
此外，還有一種方法是通過亞硝酸鈉和硫酸二甲酯的反應來合成硝基甲烷。這種方法涉及將原料亞硝酸鈉、催化劑及水攪拌溶解，然後滴加原料硫酸二甲酯進行反應。後處理包括過濾、固液兩相分離、液相減壓蒸餾得硝基甲烷粗品，經精餾後得硝基甲烷成品。這種方法可以通過控制反應溫度和提高催化劑活性來提高反應收率和產品純度。