A hidroxámsavakat karbonsavak hidroxil-aminnal történő közvetlen reakciójával állíthatjuk elő. Ezt a módszert jellemzően savas vagy bázikus körülmények között hajtják végre; a karbonsav biztosítja a karbonilcsoportot, míg a hidroxil-amin az –N–OH részt, így nukleofil addíciós reakció útján hidroxámsavat kapunk. Működési szempontból szükséges a reakcióhőmérséklet és a nedvességszint szabályozása a mellékreakciók megelőzése érdekében, miközben biztosítható a termék hozama és tisztasága. Egy másik általánosan alkalmazott módszer az acil-halogenidek hidroxil-aminnal való reagáltatása. Ebben a megközelítésben a karbonsavat először acil-halogeniddé alakítják, amely ezután hidroxámsavat képezve reagál hidroxil-aminnal. Ezt a módszert gyorsabb reakciósebesség, kevesebb mellékreakció és nagyobb hozam jellemzi. Iparilag ezt a módszert gyakran alkalmazzák enyhe reakciókörülményei és egyenletes hozama miatt, így jól-alkalmas nagy-üzemi termelésre.
Alternatív megoldásként a hidroxámsavak szintetizálhatók karbonsav-észterek hidroxil-aminnal történő reagáltatásával-, ezt az eljárást átészterezésnek is nevezik. Ez a megközelítés különösen alkalmas a nedvességre érzékeny rendszerekben, mivel megkerüli a nedvességnek a termékhozamot negatívan befolyásoló problémáját, ami a közvetlen karbonsav módszer lehetséges hátránya. A megfelelő oldószerek és reakcióhőmérséklet gondos megválasztásával az átészterezési módszer lehetővé teszi nagy tisztaságú hidroxámsavak előállítását; következésképpen széles körben alkalmazzák mind a laboratóriumi körülmények között, mind a finomvegyiparban.
