鹵仿反應在機理上可以分為三步。以碘為例：
1、羰基α-氫的連續鹵化：
R-CO-CH3+ 3 I2+ 3 OH-→ R-CO-CI3+ 3 I-+ 3 H2O
2、氫氧根的進攻：
R-CO-CI3+ OH-→RCOOH+ CI3-
3、質子交換，鹵仿最終形成：
RCOOH + CI3-→ RCOO-+CHI3
從本質上說，第1步是X對氫的親電取代；第2步是一個親核取代。2、3步合起來可以看作三鹵甲基酮的水解。
參加反應的鹵素是碘時，稱為碘仿反應，氯、溴以此類推。氟氣不能與甲基酮類化合物進行這種反應，但是形如R-CO-CF3的化合物可以用來制備氟仿（CHF3），這相當于鹵仿反應機理的后半部分，是水解反應。
鹵仿反應只有在堿性條件下才會產生鹵仿，酸性條件下則只會在與羰基相連的甲基帶上一個鹵素原子。這相當于羰基α-氫的鹵化，反應式：
2R—CO—CH3+X2→2R—CO—CH2X（酸性條件）