药物及代谢物可通过形成硫酸酯的结合反应（Sulfate Conjugation）而代谢，但不如葡萄糖醛酸苷化结合普遍，因为哺乳类动物缺少硫酸来源。形成硫酸酯的结合产物后水溶性增加，毒性降低，易排出体外。其反应过程是无机的硫酸盐在ATP硫酸化酶及Mg2+参与下，生成5-磷硫酸腺苷（APS），再经APS磷酸激酶作用，形成活性辅酶3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸酯（PAPS），最后再在磺基转移酶作用下，将硫酸基从PAPS转移给药物分子，形成硫酸酯结合物，并释放出3-磷酸腺苷-5-磷酸酯（PAP）。

硫酸酯结合反应对甾体激素、儿茶酚胺神经递质、甲状腺素、胆汁酸、酚性药物等是一种重要的反应，药物与硫酸结合形成硫酸酯代谢物能增加药物的水溶性，促进排泄。如雌酚酮在肝脏内与硫酸结合而失活。

在形成硫酸酯的结合反应中，只有酚羟基化合物和胺类化合物能生成稳定的硫酸化结合产物。酚羟基在形成硫酸酯化结合反应时，具有较高的亲和力，反应较为迅速。而脂肪醇羟基硫酸酯化的结合反应性较低，形成的硫酸酯易水解重新成为起始物。如支气管扩张药沙丁醇胺，结构中有三个羟基，只有其中的酚羟基形成硫酸酯化结合物。

磺酸基的pKa大约为1～2，硫酸结合物在生理溶液中几乎全部被离子化，对醇和羟胺化合物形成硫酸酯后，由于硫酸酯是一个很好的离去基团，因此在有些情况下，会使结合物生成正电中心而具有亲电能力，导致药物生物活化而产生毒性。

硫酸酯化和葡萄糖醛酸化能同时进行，并经常竞争同一底物（通常酚结构都存在这种竞争结合代谢方式），且二者之间的平衡主要受到剂量、动物种属、共用底物的可利用情况、各自转移酶的抑制和诱导等因素的影响。