Trong quá trình nitro hóa toluen, một hoặc nhiều nguyên tử hydro trong vòng benzen được thay thế bằng một nhóm nitro. Số lượng hydro được thay thế bởi các nhóm nitro phụ thuộc vào điều kiện của phản ứng, chẳng hạn như nhiệt độ.
Quá trình nitrat hóa toluen cần hỗn hợp axit nitric đặc và axit sunfuric đặc. Axit nitric là chất cho nhóm nitro và axit sunfuric đóng vai trò như chất xúc tác cho phản ứng. Axit sunfuric cũng hấp thụ nước tạo thành trong quá trình phản ứng. Nhóm nitro liên kết với vòng benzen, và thông qua sự sắp xếp lại các liên kết, nó thay thế một nguyên tử hydro trong vòng benzen. Cơ chế thay thế nguyên tử hydro cho nhóm nitro này được gọi là cơ chế thay thế electrophin.Toluen phản ứng nhanh hơn nhiều so với benzen trong các phản ứng nitro hóa vì nhóm metyl đẩy các điện tử về phía vòng, do đó làm tăng khả năng phản ứng của nó và làm cho nó dễ bị thay thế electron hơn. Tùy thuộc vào vị trí mà nhóm nitro được thêm vào, so với nhóm metyl trong toluen, hai đồng phân có thể được hình thành trong phản ứng này. Vì nhóm metyl là 2,4 trực tiếp nên hỗn hợp 2-nitrometylbenzen hoặc 4-nitrometylbenzen được tạo thành. Một lượng nhỏ dinitrotoluen cũng hình thành, nhưng khó tạo thành trinitrotoluen hơn. Điều này là do việc thêm nhóm nitro vào vòng benzen của toluen làm giảm khả năng phản ứng của nó.
