取代反应是一个基团取代另一个基团的过程，进攻的基团称为亲核试剂，被取代的基团称为离去基团。离去基团先自己离去，形成碳正离子中间体，然后亲核试剂再加成到离去基团所在的碳原子位置上，这种取代反应机理为SN1机理；亲核试剂的加成和离去基团的离去同时发生时，这种取代反应机理为SN2机理。
饱和碳上的亲核取代反应会遵循两种机理中的一种反应，影响因素如下：空间因素：反应中心的烷基取代基越多，碳正离子越稳定，越倾向于通过SN1机理反应，而SN2反应的决速步涉及亲核试剂对中心碳的进攻，取代基越多，由于空间位阻原因，亲核试剂越难靠近。立体化学:SN2反应的过程中，亲核试剂总会从离去基团的反位进攻碳原子，因此SN2反应会导致被进攻的碳原子构型翻转，而SN1反应通常得到外消旋产物。溶剂效应:SN1反应会生成碳正离子，质子性、极性溶剂可以溶剂化碳正离子使其稳定，促进SN1反应；而SN2反应需要一个阴离子作为亲核试剂，应避免溶剂化导致亲核力的减弱，因此SN2反应通常发生于非质子、极性较小的溶剂中。电子因素：相邻的π体系会通过稳定过渡态增加SN2反应的速率，也会通过稳定碳正离子增加SN1反应的速率。C=C (富电子) 和 C=O (缺电子) 两种π体系都会提高SN2反应的速率，但仅有C=C的π体系对SN1反应的速率产生影响。事实上，相邻C=O的存在还会减慢烷基卤的SN1反应速率，因为羰基的吸电子效应会使碳正离子不稳定。另外，相邻的孤对电子通过离域可以使碳正离子稳定，促进SN1反应。
当亲核试剂不再进攻到离去基团所在的碳原子上，而是扮演碱的角色，进攻碳正离子邻位碳原子所连接的氢，消去一分子HX 并得到烯烃的反应为消除反应。当离去基团先离去，随后碱除去质子进行的消除为E1机理，而当离去基团的离去与碱进攻氢原子同时发生时，也就是说离去基团的离去与质子的去除是协同的，此消去反应机理为E2。对于易生成稳定碳正离子的消除反应而言，更易按照E1机理进行。当用强碱进行消除反应，去质子化优先发生，形成阴离子中间体，然后离去基团离去，该离去基团并不是由起始分子失去的，而是其共轭碱（cB,conjugate base）失去的，这样的消除机理为E1cB机理。
消除反应生成的双键是有区域选择性的，E1反应得到取代基较多的烯烃，即Hofmann规则；E2反应可能得到多取代烯烃，但在更大位阻的碱作用下，由于空间位阻，易于得到较少取代的烯烃，即扎伊采夫规则；E1cB 反应的双键产生在在具有酸性的质子和离去基团之间。==取代反应VS消除反应==
一般来说，亲核试剂的碱性越强，越容易进攻质子，则越容易发生消除反应。如果我们使用个头很大的碱性亲核试剂，大的烷基取代基使带负电的氧难以进攻碳，从而避免发生取代反应，但空间位阻大的亲核剂对于进攻氢原子并无大碍，消除反应就会更倾向于发生。另外高温通过增加反应自由能中的熵 (ΔG =ΔH –TΔS) 以有利于消除反应。下表总结了各种结构类型的卤代烃（或对甲苯磺酸酯，甲磺酸酯）在具有代表性的几种亲核试剂（也可能作碱）存在下反应的一般模式。
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