Nachfolgend ist der Reaktionsmechanismus einer nukleophilen aromatischen Substitution von 2,4-Dinitrochlorbenzol in einer basischen Lösung in Wasser dargestellt.
In dieser Sequenz sind die Kohlenstoffe im Uhrzeigersinn von 1-6 nummeriert, beginnend mit dem Kohlenstoff 1 bei 12 Uhr, der an das Chlorid gebunden ist. Da die Nitrogruppe ein Aktivator für die nukleophile Substitution und ein Metadirektor ist, ermöglicht sie dem Benzolkohlenstoff, an den sie gebunden ist, eine negative Ladung. Im Meisenheimer-Komplex werden die nicht gebundenen Elektronen des Carbanions an das aromatische pi-System gebunden, wodurch das ipso-Kohlenstoffatom vorübergehend an die Hydroxylgruppe (-OH) gebunden werden kann. Um in einen Zustand niedrigerer Energie zurückzukehren, verlässt entweder die Hydroxylgruppe oder das Chlorid die Verbindung. In Lösung laufen beide Prozesse ab. Ein kleiner Prozentsatz des Zwischenprodukts verliert das Chlorid und wird zum Produkt (2,4-Dinitrophenol), während der Rest zum Reaktionspartner zurückkehrt. Da sich das 2,4-Dinitrophenol in einem niedrigeren Energiezustand befindet, kehrt es nicht zurück, um den Reaktanten zu bilden, so dass die Reaktion nach einiger Zeit ein chemisches Gleichgewicht erreicht, das das 2,4-Dinitrophenol begünstigt.
Die Bildung des resonanzstabilisierten Meisenheimer-Komplexes ist langsam, da er sich in einem höheren Energiezustand befindet als der aromatische Reaktant. Der Verlust des Chlorids ist schnell, weil der Ring wieder aromatisch wird. Neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass der Meisenheimer-Komplex nicht immer ein echtes Zwischenprodukt ist, sondern auch der Übergangszustand eines „Front-SN2“-Prozesses sein kann, insbesondere wenn die Stabilisierung durch elektronenziehende Gruppen nicht sehr stark ist. In einer Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2019 wird argumentiert, dass solche „konzertierten SNAr“-Reaktionen häufiger vorkommen als bisher angenommen.
Arylhalogenide können nicht die klassische „Rückseiten“-SN2-Reaktion eingehen. Die Kohlenstoff-Halogen-Bindung liegt in der Ebene des Rings, da das Kohlenstoffatom eine trigonal-planare Geometrie aufweist. Der Rückseitenangriff ist blockiert und diese Reaktion ist daher nicht möglich. Eine SN1-Reaktion ist möglich, aber sehr ungünstig. Sie würde den ungestützten Verlust der Abgangsgruppe und die Bildung eines Arylkations beinhalten. Die Nitrogruppe ist die am häufigsten anzutreffende aktivierende Gruppe, andere Gruppen sind die Cyanogruppe und die Acylgruppe. Die Abgangsgruppe kann ein Halogen oder ein Sulfid sein. Mit zunehmender Elektronegativität steigt die Reaktionsgeschwindigkeit beim nukleophilen Angriff. Dies liegt daran, dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei einer SNAr-Reaktion der Angriff des Nucleophils und die anschließende Spaltung des aromatischen Systems ist; der schnellere Prozess ist die günstige Neuformierung des aromatischen Systems nach dem Verlust der Abgangsgruppe. In Bezug auf die Fähigkeit der Halogenabgangsgruppe zur SNAr-Reaktion ergibt sich somit folgendes Muster: F > Cl ≈ Br > I (d. h. eine umgekehrte Reihenfolge als bei einer SN2-Reaktion erwartet). Aus der Sicht einer SN2-Reaktion erscheint dies kontraintuitiv, da die C-F-Bindung zu den stärksten in der organischen Chemie gehört, während Fluorid aufgrund der extremen Polarität der C-F-Bindung die ideale Abgangsgruppe für eine SNAr ist. Nukleophile können Amine, Alkoxide, Sulfide und stabilisierte Carbanionen sein.