ハロホルム反応の反応機構（巻矢印つき・機械検算済み）

アセトフェノンのメチル基のα水素H7は、カルボニルC2に隣接して酸性。塩基OH⁻の孤立電子対がH7を引き抜き(C)、C1–H7の結合電子がC1=C2を作りに行き(B)、玉突きでC2=O3のπ電子が酸素O3へ降りてO⁻になる(B)。生じた負電荷がα炭素C1とカルボニル酸素O3に非局在化できることがα水素の酸性の理由。アセトフェノンエノラート（O-アニオン型）ができる。

エノラートのO3の孤立電子対がC2=O3のカルボニルを再生し(B)、玉突きでC1=C2のπ電子（求核性のα炭素C1）がI2のヨウ素I8を攻撃して新しいC1–I8結合を作る(A)。玉突きでI8–I9の結合電子がI9へ降りてヨウ化物イオンI⁻が脱離する(B, 脱離矢印)。α位にヨウ素が1個入ったモノヨードアセトフェノンができる。

モノヨード体の残るα水素H7を、塩基OH⁻がふたたび引き抜く(C)。C1–H7の結合電子がC1=C2を作り(B)、C2=O3のπ電子が酸素O3へ降りてエノラートになる(B)。ヨウ素が1個付いたα炭素C1のエノラートができる。

エノラートのO3の孤立電子対がカルボニルC2=O3を再生し(B)、求核性のα炭素C1（C1=C2のπ電子）がI2のヨウ素I16を攻撃してC1–I16結合を作る(A)、玉突きでI16–I9の結合電子がI9へ降りてI⁻が脱離する(B, 脱離矢印)。α位にヨウ素が2個ついたジヨード体ができる。

ジヨード体に残る最後のα水素H7を、塩基OH⁻が引き抜く(C)。C1–H7の結合電子がC1=C2を作り(B)、C2=O3のπ電子が酸素O3へ降りてエノラートになる(B)。ヨウ素が2個付いたα炭素C1のエノラートができる。2個のヨウ素の電子求引で、このα-Hは最も酸性で最も抜けやすい。

エノラートのO3の孤立電子対がカルボニルC2=O3を再生し(B)、求核性のα炭素C1（C1=C2のπ電子）がI2のヨウ素I17を攻撃してC1–I17結合を作る(A)、玉突きでI17–I9の結合電子がI9へ降りてI⁻が脱離する(B, 脱離矢印)。α炭素C1にヨウ素が3個ついた–CI3（トリヨードメチル基）が完成する。これでα炭素にはもう水素が残らず、ここまでの脱プロトン–ヨウ素化はこれ以上進めない。

水酸化物イオンOH⁻の酸素O6の孤立電子対が、トリヨードメチルケトンのカルボニル炭素C2を攻撃して新しいO6–C2結合を作る(A)。玉突きでC2=O3のπ電子が酸素O3へ降りてアルコキシドO⁻になる(B)。C2は–CI3・フェニル・O⁻・OHが付いた四面体炭素（四面体中間体）になる。求核アシル置換の『付加』の段。

四面体中間体のアルコキシドO3の孤立電子対がC2=O3の二重結合を作りに戻り(B)、玉突きでC1–C2の結合電子がα炭素C1へ降りて、–CI3がトリヨードメチルアニオンCI3⁻として脱離する(B, 脱離矢印)。C2はカルボニルを再生して安息香酸（–COOH）になる。求核アシル置換の『脱離』の段。

脱離したトリヨードメチルアニオンCI3⁻（炭素C1の孤立電子対）が、安息香酸のO–HのプロトンH18を奪う(C)。玉突きでO6–H18の結合電子が酸素O6へ戻ってカルボキシラート（安息香酸イオン）になる(B)。C1はプロトンを受け取ってヨードホルムCHI3（黄色沈殿）になる。CI3⁻は強い塩基でカルボン酸から容易にプロトンを奪う。