Mật mã thay thế là dạng cổ điển nhất thuật toán mã hóa theo tạo mỗi ký tự bản rõ và yêu cầu thủ tục thay thế để thay bằng ký tự mới trong bản mã.
Phương pháp thay thế này xác định và có thể đảo ngược, cho phép người nhận dự định đảo thay thế ký tự bản mã để lấy lại bản rõ.
Dạng cụ thể của mật mã thay thế là Mật mã thay thế đơn bảng, gọi là "Mật mã thay thế đơn giản". Mật mã thay thế đơn bảng dựa trên hàm ánh xạ khóa đơn K, thay thế nhất quán ký tự cụ thể α bằng ký tự từ ánh xạ K(α).
Mật mã thay thế đơn bảng là loại mật mã thay thế trong đó các chữ cái tương đương bản rõ được thay bằng cùng chữ cái bản mã. Mono (một) nghĩa là mỗi chữ cái bản rõ có một thay thế đơn của bản mã.
Mật mã Caesar là loại mật mã đơn bảng. Dùng cùng phương pháp thay thế lấy ký tự bản mã cho mỗi ký tự bản rõ. Trong Caesar, dễ dàng cho hacker bẻ khóa vì chỉ 25 khóa. Lỗ hổng này khắc phục bằng mật mã đơn bảng.
Trong mật mã đơn bảng, ký tự thay thế hỗ trợ hoán vị ngẫu nhiên 26 chữ cái bảng chữ cái. 26! Hoán vị lên đến 4×10²⁶. Điều này làm khó hacker dùng brute-force lấy khóa.
Mật mã đơn bảng là loại thay thế nơi mối quan hệ giữa ký hiệu bản rõ và ký hiệu bản mã luôn một-một và cố định suốt quá trình mã hóa.
Các mật mã này coi là dễ bị phân tích mật mã. Ví dụ, nếu 'T' mã hóa bằng 'J' cho bất kỳ lần xuất hiện nào trong bản rõ, thì 'T' luôn mã hóa thành 'J'.
Nếu bản rõ là "TREE", bản mã có thể là "ADOO" - cho thấy mật mã có thể đơn bảng vì cả hai 'E' trong bản rõ mã hóa bằng 'O' trong bản mã.
Mặc dù hacker không brute-force, có thể tìm khóa bằng Tấn công Thống kê (Statistical Attack). Nếu hacker biết đặc điểm bản rõ của bất kỳ mật mã thay thế, bất kể không gian khóa lớn, dễ dàng bẻ khóa bằng tấn công thống kê. Tấn công thống kê bao gồm đo phân phối tần suất ký tự, so sánh với thống kê tiếng Anh.