Nedan följer reaktionsmekanismen för en nukleofil aromatisk substitution av 2,4-dinitrochlorbenzen i en basisk lösning i vatten.
I denna sekvens är kolerna numrerade medurs från 1-6 och börjar med 1-kol vid 12-tiden, som är bundet till kloriden. Eftersom nitrogruppen är en aktivator mot nukleofil substitution och en metadirektör tillåter den att bensenkolet som den är bunden till har en negativ laddning. I Meisenheimer-komplexet blir karbanjonens icke-bundna elektroner bundna till det aromatiska pi-systemet, vilket gör det möjligt för ipsokolet att tillfälligt binda till hydroxylgruppen (-OH). För att återgå till ett lägre energitillstånd lämnar antingen hydroxylgruppen eller kloriden. I lösning sker båda processerna. En liten andel av intermediären förlorar kloriden för att bli produkten (2,4-dinitrofenol), medan resten återgår till reaktanten. Eftersom 2,4-dinitrofenol befinner sig i ett lägre energitillstånd kommer den inte att återvända för att bilda reaktanten, så efter en viss tid når reaktionen kemisk jämvikt som gynnar 2,4-dinitrofenol.
Bildningen av det resonansstabiliserade Meisenheimerkomplexet går långsamt eftersom det befinner sig i ett högre energitillstånd än den aromatiska reaktanten. Förlusten av kloriden är snabb, eftersom ringen blir aromatisk igen. Nya arbeten tyder på att Meisenheimer-komplexet ibland inte alltid är en riktig intermediär utan kan vara övergångstillståndet i en ”frontside SN2”-process, särskilt om stabiliseringen genom elektronåterkallande grupper inte är särskilt stark. En översikt från 2019 hävdar att sådana ”samordnade SNAr”-reaktioner är vanligare än vad som tidigare antagits.
Arylhalogenider kan inte genomgå den klassiska ”backside”-SN2-reaktionen. Kol-halogenbindningen ligger i ringens plan eftersom kolatomen har en trigonal planär geometri. Backside attack är blockerad och denna reaktion är därför inte möjlig. En SN1-reaktion är möjlig men mycket ogynnsam. Den skulle innebära en ohjälpt förlust av avgångsgruppen och bildning av en arylkatjon. Nitrogruppen är den vanligaste aktiveringsgruppen, andra grupper är cyano- och acylgruppen. Den avgående gruppen kan vara en halogen eller en sulfid. Med ökande elektronegativitet ökar reaktionshastigheten för nukleofil angrepp. Detta beror på att det hastighetsbestämmande steget för en SNAr-reaktion är nukleofilens angrepp och den efterföljande brytningen av det aromatiska systemet; den snabbare processen är den gynnsamma ombildningen av det aromatiska systemet efter förlusten av den avgående gruppen. Följande mönster kan ses när det gäller halogens avgångsgruppsförmåga för SNAr: F > Cl ≈ Br > I (dvs. en omvänd ordning jämfört med den som förväntas för en SN2-reaktion). Om man ser det ur en SN2-reaktions synvinkel skulle detta verka kontraintuitivt, eftersom C-F-bindningen är bland de starkaste i organisk kemi, när fluorid i själva verket är den idealiska avgångsgruppen för en SNAr på grund av C-F-bindningens extrema polaritet. Nukleofiler kan vara aminer, alkoxider, sulfider och stabiliserade karbanioner.