Sungguhpun mekanisma lengkap katalase masih belum jelas sepenuhnya,[13] tindak balas kimia dipercayai berlaku pada dua tahap:

H2O2 + Fe(III)-E → H2O + O=Fe(IV)-E(.+)H2O2 + O=Fe(IV)-E(.+) → H2O + Fe(III)-E + O2[13]Di sini Fe()-E mewakili teras besi bagi kumpulan heme terikat pada enzim. Fe(IV)-E(.+) merupakan bentuk mesomerik bagi Fe(V)-E, bererti besi tidak teriksida sepenuhnya kepada +V tetapi menerima sebahagian "elektron sokongan" dari ligand heme. Heme ini perlu dikeluarkan kemudian sebagai kation radikal ("radical cation") (.+).

Apabila hidrogen peroksida memasuki tapak aktif, ia bertindak balas dengan Asn147 ("asparagine" asid amino pada kedudukan 147) dan His74, menyebabkan proton (ion hidrogen) berpindah antara ataom oksigen. Koordinat atom oksigen bebas, membebaskan molekul air yang baru terbentuk dan Fe(IV)=O. Fe(IV)=O bertindak balas dengan molekul hidrogen oksida kedua bagi membentuk Fe(III)-E dan menghasilkan air dan oksigen.[13] Kereaktifan teras besi boleh dipertingkat dengan kehadiran ligand fenol bagi Tyr357 pada ligand besi kelima, yang mampu membantu bagi pengoksidaan Fe(III) kepada Fe(IV). Keberkesanan tindak balas juga boleh dipertingkat dengan tindak balas His74 dan Asn147 dengan perantaraan tindak-balas.[13] In general, the rate of the reaction can be determined by the Michaelis-Menten equation.[14]

Katalase juga mampu mengoksida pelbagai toksin berlainan, seperti formaldehid, asid formik, fenol, dan alkohol. Untuk melakukannya, ia menggunakan hidrogen peroksida menurut tindak balas berikut:

H2O2 + H2R → 2H2O + R

Juga, mekanisma sebenar tindak-balas ini tidak diketahui.