Methemoglobin bildas vid oxidation av järnet i hemoglobin från Fe2+ till Fe3+. Av hela hemoglobinmängden utgörs normalt cirka en procent av methemoglobin som saknar syretransporterande förmåga. En ökad halt förekommer i en primär form som är genetiskt betingad eller sekundärt till förgiftning med någon oxiderande substans (till exempel klorater, nitrater, nitriter och sulfaföreningar).