Een substitutiereactie is een chemische reactie waarin een atoom(groep) (A) wordt vervangen door een ander atoom(groep) (Q). Hierbij wordt een σ-binding doorbroken (C-A), en vervangen door een nieuwe binding (C-Q).
Nucleofiele en elektrofiele substitutiereacties zijn belangrijke soorten substitutiereacties. De radicalaire halogenering is een type substitutiereactie waarbij radicalen een rol spelen.