Poniżej przedstawiono mechanizm reakcji nukleofilowego podstawienia aromatycznego 2,4-dinitrochlorobenzenu w roztworze zasadowym w wodzie.
W tej sekwencji węgle są ponumerowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara od 1-6, począwszy od 1 węgla na godzinie 12, który jest związany z chlorkiem. Ponieważ grupa nitrowa jest aktywatorem w kierunku substytucji nukleofilowej i meta direktorem, pozwala ona, aby węgiel benzenu, z którym jest związana, miał ładunek ujemny. W kompleksie Meisenheimera niewiązane elektrony karbanionu zostają związane z aromatycznym układem pi, co pozwala węglowi ipso na tymczasowe związanie się z grupą hydroksylową (-OH). Aby powrócić do stanu o niższej energii, albo grupa hydroksylowa odchodzi, albo chlorek odchodzi. W roztworze zachodzą oba procesy. Niewielki procent półproduktu traci chlorek, stając się produktem (2,4-dinitrofenolem), podczas gdy reszta wraca do stanu reagenta. Ponieważ 2,4-dinitrofenol znajduje się w niższym stanie energetycznym, nie powróci, aby utworzyć reagent, więc po pewnym czasie reakcja osiąga równowagę chemiczną, która faworyzuje 2,4-dinitrofenol.
Tworzenie stabilizowanego rezonansowo kompleksu Meisenheimera jest powolne, ponieważ znajduje się on w wyższym stanie energetycznym niż reagent aromatyczny. Utrata chlorku jest szybka, ponieważ pierścień staje się ponownie aromatyczny. Ostatnie prace wskazują, że czasami kompleks Meisenheimera nie zawsze jest prawdziwym intermediatem, ale może być stanem przejściowym procesu „frontside SN2”, szczególnie jeśli stabilizacja przez grupy odbierające elektrony nie jest bardzo silna. W przeglądzie z 2019 r. argumentuje się, że takie „uzgodnione reakcje SNAr” są bardziej powszechne niż wcześniej zakładano.
Halogenki arylowe nie mogą ulegać klasycznej reakcji SN2 „od strony tylnej”. Wiązanie węgiel-halogen znajduje się w płaszczyźnie pierścienia, ponieważ atom węgla ma geometrię planarną trygonalną. Atak od strony tylnej jest zablokowany i dlatego reakcja ta nie jest możliwa. Reakcja SN1 jest możliwa, ale bardzo niekorzystna. Polegałaby ona na niekontrolowanej utracie grupy opuszczającej i utworzeniu kationu arylowego. Grupa nitrowa jest najczęściej spotykaną grupą aktywującą, innymi grupami są grupa cyjanowa i acylowa. Grupą opuszczającą może być halogen lub sulfid. Wraz ze wzrostem elektroujemności wzrasta szybkość reakcji ataku nukleofilowego. Dzieje się tak dlatego, że etapem decydującym o szybkości reakcji SNAr jest atak nukleofila i następujące po nim rozerwanie układu aromatycznego; szybszym procesem jest korzystne ponowne utworzenie układu aromatycznego po utracie grupy opuszczającej. W związku z tym, w odniesieniu do zdolności halogenowych grup opuszczających do SNAr, obserwuje się następujący wzór: F > Cl ≈ Br > I (czyli kolejność odwrotna do oczekiwanej dla reakcji SN2). Jeśli spojrzeć na to z punktu widzenia reakcji SN2, wydaje się to sprzeczne z intuicją, ponieważ wiązanie C-F jest jednym z najsilniejszych w chemii organicznej, podczas gdy w rzeczywistości fluorek jest idealną grupą opuszczającą dla SNAr ze względu na ekstremalną polarność wiązania C-F. Nukleofile mogą być aminami, alkoksydami, siarczkami i stabilizowanymi karbanionami.