SN2反應最常發生在脂肪族sp3雜化的碳原子上，碳原子與一個電負性強、穩定的離去基團（-X）相連，一般為鹵素陰離子。親核試劑（Nu）從離去基團的正后方進攻碳原子，Nu-C-X角度為180°，以使其孤對電子與C-X鍵的σ反鍵軌道可以達到最大重疊。然后形成一個五配位的反應過渡態，碳約為sp2雜化，用兩個垂直于平面的p軌道分別與離去基團和親核試劑成鍵。C-X的斷裂與新的C-Nu鍵的形成是同時的，-X很快離去，形成含C-Nu鍵的新化合物。
SN2與SN1的對比
2-溴丁烷與氫氧根離子發生SN2生成2-丁醇和溴離子。
上例中，OH-（親核試劑）進攻2-溴丁烷（底物）發生SN2反應，經過不穩定的過渡態，最終Br-離去，得到2-丁醇。
SN2反應也可以在分子內發生，合成的環系一般為五元環、六元環和三元環。分子內的Williamson合成得到環氧化合物，即是這類反應的一個例子。
相比下，四元環張力太大，空間上也不利，很難生成；七元、八元之類的大環可以生成，但分子間反應處于優勢，需要將反應物以高稀溶液的形式反應，以增大分子內產物的比例。
SN2反應一般發生在伯碳原子上，很難成為有位阻分子的反應機理，并且取代基越多，按SN2機理反應的可能性越小。基團在空間上比較擁擠的分子一般采用SN1機理，可以緩解一部分的位阻，也可生成較穩定的碳正離子（通常為三級碳正離子）。
由于親核試劑是從離去基團的背面進攻，故如果受進攻的原子具有手性，則反應后手性原子的立體化學發生構型翻轉，也稱“瓦爾登翻轉”。這也是SN2反應在立體化學上的重要特征。反應過程類似于大風將雨傘由里向外翻轉。