Mechanizm reakcji Reakcja Michaelisa-Arbuzowa jest reakcją egzotermiczną, w której siłą napędową jest powstawanie silnego wiązania fosforylowego P=O. Wiąże się to z zyskiem energetycznym rzędu 32–65 kcal/mol.
Reakcja zapoczątkowywana jest atakiem nukleofilowym fosforynu (1) na halogenek alkilu (2) (reakcja SN2) z wytworzeniem soli fosfoniowej (3). Potwierdzone to zostało przez scharakteryzowanie stabilnych soli fosfoniowych w przypadkach, gdy drugi etap reakcji nie mógł zachodzić. Mechanizm ten jest zgodny z obserwacją, że halogenki arylowe i winylowe, mało reaktywne w reakcji substytucji nukleofilowej, są mniej podatne na reakcję z fosforynami. center|500px|mechanizm reakcji Michaelisa–Arbuzowa Etap drugi procesu to dealkilacja soli fosfoniowej. Jon halogenkowy powstały w pierwszym etapie reakcji atakuje węgiel α jednej z grup alkoksylowych soli 3 z wytworzeniem alkilofosfonianu 4 i halogenku alkilu 5.