Dokładny mechanizm powstawania produktu pośredniego 2 nie jest znany.
center|600px|The mechanism of the Ugi reaction
Reakcję można także przeprowadzić używając jako substratu iminy, bez konieczności jej syntezowania.
Jeden z postulowanych mechanizmów reakcji przedstawiono poniżej.
center|450px|Mechanizm reakcji Ugiego
Amina 1 i keton 2 tworzą iminę 3 oraz jedną cząsteczkę wody. W kolejnej reakcji elementarnej następuje wymiana protonu z kwasu karboksylowego 4 w wyniku czego powstaje jon iminowy 5, który w wyniku addycji nukleofilowej przyłącza izonitryl 6. Przyłączenie następuje pomiędzy terminalnym atomem węgla w izonitrylu i atomem węgla z grupy iminowej. Do powstałego kationu przejściowego 7, w wyniku kolejnej addycji nukleofilowej, przyłącza się reszta kwasu karboksylowego, dając kolejny produkt przejściowy 8. Ostatnim etapem jest przegrupowanie Mumma z przeniesieniem grupy acylowej przy podstawniku R4 z atomu tlenu na atom azotu. Wszystkie etapy, poza przegrupowaniem Mumma, są odwracalne.
Odmiany Połączenie różnych substratów Używając bifunkcyjnych substratów znacznie zwiększa się różnorodność możliwych produktów reakcji.