لا تدور الإلكترونات حول النواة كما تدور الكواكب حول الشمس، بل تتواجد في مدارات، وهي مناطق في الفضاء يُرجح وجود الإلكترون فيها. المدار هو توزيع احتمالي، وليس مسارًا. يعتمد شكل المدار على مستوى طاقة الإلكترون ومستواه الفرعي. المدار s كروي الشكل، والمدارات p على شكل دمبل، أما المدارات d و f فهي أكثر تعقيدًا.

يستوعب كل مدار إلكترونين كحد أقصى، لكل منهما دوران مغزلي متعاكس. ويمنع مبدأ استبعاد باولي وجود إلكترونين في المدار نفسه من أن يكون لهما الدوران المغزلي نفسه. ويحدد عدد المدارات في المستوى الفرعي عدد الإلكترونات التي يمكنه استيعابها. يحتوي المستوى الفرعي s على مدار واحد ويستوعب إلكترونين. ويحتوي المستوى الفرعي p على ثلاثة مدارات ويستوعب ستة إلكترونين. ويحتوي المستوى الفرعي d على خمسة مدارات ويستوعب عشرة إلكترونين. ويحتوي المستوى الفرعي f على سبعة مدارات ويستوعب أربعة عشر إلكترونين.

تحدد أشكال المدارات كيفية ترابط الذرات وكيفية تكوين الجزيئات. ويؤدي تداخل المدارات إلى تكوين روابط تساهمية. ويحدد اتجاه المدارات الشكل الهندسي للجزيء. كما تحدد طاقة المدارات ألوان الضوء التي تمتصها الذرات وتبعثها. ويُعنى علم الأطياف بدراسة هذه التحولات.

مفهوم المدار مستمد من ميكانيكا الكم، وقد طوره إرفين شرودنغر وفيرنر هايزنبرغ وآخرون في عشرينيات القرن العشرين. وقد حل هذا المفهوم محل نموذج بور للمدارات الثابتة. المدار دالة رياضية، لكنها تحمل دلالة فيزيائية، إذ تصف المكان الذي يُحتمل أن يتواجد فيه الإلكترون.