Der følgende er reaktionsmekanismen for en nukleofil aromatisk substitution af 2,4-dinitrochlorbenzen i en basisk opløsning i vand.
I denne sekvens er carbonerne nummereret med uret fra 1-6 begyndende med 1 carbon klokken 12, som er bundet til chloridet. Da nitrogruppen er en aktivator mod nukleofil substitution og en metadirektør, tillader den, at det benzenkulstof, som den er bundet til, har en negativ ladning. I Meisenheimer-komplekset bliver de ikke-bundne elektroner i carbanionen bundet til det aromatiske pi-system, hvilket gør det muligt for ipso-kulstoffet at binde sig midlertidigt til hydroxylgruppen (-OH). For at vende tilbage til en lavere energitilstand forlader enten hydroxylgruppen eller chloridet. I opløsning sker begge processer. En lille procentdel af mellemproduktet mister chloridet og bliver til produktet (2,4-dinitrophenol), mens resten vender tilbage til reaktanten. Da 2,4-dinitrophenol er i en lavere energitilstand, vil det ikke vende tilbage til at danne reaktanten, så efter nogen tid når reaktionen kemisk ligevægt, der favoriserer 2,4-dinitrophenol.
Dannelsen af det resonansstabiliserede Meisenheimer-kompleks er langsom, fordi det er i en højere energitilstand end den aromatiske reaktant. Tabet af chloridet er hurtigt, fordi ringen bliver aromatisk igen. Nyere arbejde tyder på, at Meisenheimer-komplekset nogle gange ikke altid er et ægte mellemprodukt, men kan være overgangstilstanden i en “frontside SN2”-proces, især hvis stabiliseringen ved hjælp af elektron-adstruerende grupper ikke er særlig stærk. En gennemgang fra 2019 argumenterer for, at sådanne ‘concerted SNAr’-reaktioner er mere udbredte end tidligere antaget.
Arylhalogenider kan ikke undergå den klassiske ‘backside’- SN2-reaktion. Kulstof-halogenbindingen er i ringens plan, fordi kulstofatometrien har en trigonal planar geometri. Backside-angreb er blokeret, og denne reaktion er derfor ikke mulig. En SN1-reaktion er mulig, men meget ugunstig. Den ville indebære et uhjulpet tab af den udgående gruppe og dannelse af et arylkation. Nitrogruppen er den mest almindeligt forekommende aktiverende gruppe, men andre grupper er cyano- og acylgruppen. Den udgående gruppe kan være et halogen eller et sulfid. Med stigende elektronegativitet øges reaktionshastigheden for nukleofilt angreb. Dette skyldes, at det hastighedsbestemmende trin for en SNAr-reaktion er nukleofilens angreb og den efterfølgende opløsning af det aromatiske system; den hurtigere proces er den gunstige reforming af det aromatiske system efter tab af den udgående gruppe. Som sådan ses følgende mønster med hensyn til halogenafgangsgruppens evne til SNAr: F > Cl ≈ Br > I (dvs. en omvendt rækkefølge i forhold til den, der forventes for en SN2-reaktion). Set ud fra en SN2-reaktion ville dette virke kontraintuitivt, da C-F-bindingen er blandt de stærkeste i organisk kemi, mens fluorid faktisk er den ideelle afgangsgruppe for en SNAr på grund af C-F-bindingens ekstreme polaritet. Nukleofile kan være aminer, alkoxider, sulfider og stabiliserede carbanioner.