Au cours de la nitration du toluène, un ou plusieurs des atomes d'hydrogène du cycle benzénique sont remplacés par un groupe nitro. Le nombre d'hydrogènes remplacés par les groupes nitro dépend des conditions de la réaction, comme la température.
La nitration du toluène nécessite un mélange d'acide nitrique concentré et d'acide sulfurique concentré. L'acide nitrique est le donneur du groupe nitro et l'acide sulfurique agit comme un catalyseur de la réaction. L'acide sulfurique absorbe également l'eau qui se forme au cours de la réaction. Le groupe nitro se lie au cycle benzénique et, grâce au réarrangement des liaisons, remplace un atome d'hydrogène dans le cycle benzénique. Ce mécanisme de substitution d'un atome d'hydrogène à un groupe nitro est appelé substitution électrophile.
Le toluène réagit beaucoup plus rapidement que le benzène dans les réactions de nitration car le groupe méthyle pousse les électrons vers l'anneau, augmentant ainsi sa réactivité et le rendant plus sensible à la substitution électrophile. Selon la position à laquelle le groupe nitro est ajouté, par rapport au groupe méthyle dans le toluène, deux isomères peuvent être formés dans cette réaction. Étant donné que les groupes méthyle dirigent 2,4, un mélange de 2-nitrométhylbenzène ou de 4-nitrométhylbenzène est formé. Une petite quantité de dinitrotoluène se forme également, mais il est plus difficile de former du trinitrotoluène. En effet, l'ajout de groupes nitro au cycle benzénique du toluène diminue sa réactivité.
