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  S2反應最常發生在脂肪族sp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)從離去基團的正後方進攻碳原子,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。然後形成一個五配位的反應過渡態,碳約為sp雜化,用兩個垂直於平面的"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。  由於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,則反應後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S2反應在立體化學上的重要特徵。反應過程類似於大風將雨傘由裡向外翻轉。  上例中,OH(親核試劑)進攻CHBr(底物)發生S2反應,經過不穩定的過渡態,最終Br離去,得到乙醇。  S2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,但分子間反應處於優勢,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。  S2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,並且取代基越多,按S2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採用S1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)。

  S2屬於二級反應,決速步與兩個反應物的濃度相關:親核試劑[Nu]和底物[RX]。  與此相對比的是單分子親核取代反應—S1反應,親核取代反應的另一種機理。此類反應中,底物中的C-X鍵首先異裂為碳正離子和X,是較慢的一步,然後親核試劑Nu立即與碳正離子結合,得到含C-Nu鍵的產物。因此該反應的速率控制步驟只和底物的濃度有關,稱為單分子親核取代反應。  需要注意的是,S1和S2只是親核取代反應的兩個比較極端的機理,屬於理想情況。在因素如離子對的影響下,實際中的反應都會或多或少地兼具這兩者機理的成分,有些甚至難以歸類。至於反應按哪種機理進行的成分多一些,與具體的反應物結構、型別、溶劑、濃度、溫度、親核試劑、離去基團等因素都有很密切的關係。

  雙分子親核取代反應的一個副反應是E消除反應:親核試劑表現鹼性,從底物的β-碳奪取氫離子,底物發生消除反應生成烯烴。S2反應與E反應的共存與競爭可通過以下實驗體現:  上述是磺酸鹽負離子與溴代烷在氣相發生反應的結果。在水溶液中的趨勢是類似的,但還要考慮溶劑效應的影響。當反應物由溴乙烷變為異丁基溴時,位阻大大增加,因此產物也主要變為消除產物。此外,試劑的鹼性越強,也會使消除反應產物比例增大。若以鹼性更弱的苯甲酸根離子與異丁基溴進行上述反應,取代產物為55%,遠遠高於磺酸鹽負離子反應的15%。

  2008年時有人提出了S2的另一種機理:“迂迴機理”(Roundabout mechanism)。化學家在藉助於“交叉分子束成像法”觀測氯離子和碘甲烷在氣相的反應時發現,當打出的氯離子具有足夠的速度時,反應後碘離子的能量總比預期的要少。根據理論分析推測,能量之所以有損失,是因為氯離子與甲基發生碰撞後,甲基圍繞碘原子需要進行迂迴的轉動,之後才有碘離子的離去以及氯甲烷的生成。
S2反應(雙分子親核取代反應)是親核取代反應的一類,其中S代表取代(Substitution),N代表親核(Nucleophilic),2代表反應的決速步涉及兩種分子。與S1反應相對應,S2反應中,親核試劑帶著一對孤對電子進攻具親電性的缺電子中心原子,形成過渡態的同時,離去基團離去。反應中不生成碳正離子,速率控制步驟是上述的協同步驟,反應速率與兩種物質的濃度成正比,因此稱為雙分子親核取代反應。