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。
圖1中第一步，是相對應甲基酮化合物的醇類會因為被鹵素分子氧化成甲基酮進而產生鹵仿反應，因此此類化合物對于鹵仿反應通常也會呈現陽性反應。
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）