تحتوي ذرتا الهيدروجين على إلكترون واحد لكل منهما. تتشارك الذرتان هذه الإلكترونات لتكوين جزيء الهيدروجين. يربط هذا الزوج المشترك من الإلكترونات الذرات معًا. هذه هي الرابطة التساهمية، وهي رابطة تتكون من خلال مشاركة أزواج الإلكترونات بين الذرات. وهي أكثر أنواع الروابط شيوعًا في الكيمياء العضوية وعلم الأحياء. الماء والبروتينات والحمض النووي (DNA) والدهون جميعها مرتبطة بروابط تساهمية.

يمكن أن تكون الروابط التساهمية أحادية أو ثنائية أو ثلاثية. تتشارك الرابطة الأحادية بزوج واحد من الإلكترونات، بينما تتشارك الرابطة الثنائية بزوجين، وتتشارك الرابطة الثلاثية بثلاثة أزواج. كلما زاد عدد الأزواج المشتركة، زادت قوة الرابطة وقصرها. يحتوي الإيثين على رابطة ثنائية بين ذرتي الكربون، بينما يحتوي الإيثاين على رابطة ثلاثية. يحتوي غاز النيتروجين على رابطة ثلاثية، ولذلك فهو خامل كيميائياً.

يمكن أن تكون الروابط التساهمية قطبية أو غير قطبية. في الرابطة غير القطبية، تتشارك الإلكترونات بالتساوي. أما في الرابطة القطبية، فتجذب إحدى الذرات الإلكترونات بقوة أكبر، مما يُنشئ شحنات جزئية موجبة وسالبة. ويُحدد الفرق في الكهرسلبية القطبية. تجعل الروابط القطبية الجزيئات قطبية، مما يؤثر على الذوبانية ودرجة الغليان والتفاعلية. الماء قطبي، ولهذا السبب يذيب الأملاح والسكريات ولكنه لا يذيب الزيوت.

لا تقتصر الروابط التساهمية دائمًا على الروابط البسيطة ثنائية المركز وثنائية الإلكترونات. فبعض الجزيئات تحتوي على إلكترونات غير متمركزة، حيث تتشارك الإلكترونات بين عدة ذرات. يُعد البنزين مثالًا كلاسيكيًا على ذلك. يُساهم عدم التمركز في استقرار الجزيء ومنحه خصائص فريدة.