Po perorálním podání je methotrexát absorbován z gastrointestinálního traktu. Pokud je podáván v nízkých dávkách (7,5 mg/m2 až 80 mg/m2 tělesného povrchu), má průměrnou biologickou dostupnost zhruba 70 %, i když jsou možné jak individuální, tak mezidruhové odchylky 25-100 %. Maximálních plazmatických koncentrací je dosaženo za 1-2 hodiny. Subkutánní, intravenózní a intramuskulární podání vykázalo podobnou biologickou dostupnost. Přibližně 50 % methotrexátu se váže na plazmatické proteiny. Po distribuci do tělesných tkání se vysoké koncentrace ve formě polyglutamátů nacházejí zejména v játrech, ledvinách a slezině, kde mohou přetrvávat po několik týdnů nebo měsíců. Při nízkých dávkách přechází methotrexát v malém množství do mozkomíšního moku; při vysokých dávkách (300 mg/kg tělesné hmotnosti) byly v likvoru nalezeny koncentrace mezi a 7 μg/ml. Konečný eliminační poločas je v průměru 6-7 hodin a vykazuje značnou variabilitu (3-hodin). Biologický poločas může být prodloužen až čtyřikrát u pacientů s třetím distribučním prostorem (pleurální výpotek, ascites). Přibližně 10 % podané dávky methotrexátu je metabolizováno intrahepatálně. Hlavním metabolitem je 7-hydroxymethotrexát. Vylučování probíhá hlavně v nezměněné formě primárně glomerulární filtrací a aktivní sekrecí v proximálním tubulu. Přibližně 5 až 20 % methotrexátu a 1 až 5 % 7-hydroxymethotrexátu je vylučováno žlučí. Dochází k výraznému enterohepatálnímu oběhu. Při renální insuficienci je eliminace významně prodloužena. Není známo, zda hepatální insuficience vyvolává snížení eliminace methotrexátu. Methotrexát prochází placentou u potkanů a opic.