Dva atomy vodíku mají každý jeden elektron. Tyto elektrony sdílejí a tvoří molekulu vodíku. Společný elektronový pár drží atomy pohromadě. Jedná se o kovalentní vazbu, vazbu vzniklou sdílením elektronových párů mezi atomy. Je to nejběžnější typ vazby v organické chemii a biologii. Voda, bílkoviny, DNA a tuky jsou drženy pohromadě kovalentními vazbami.

Kovalentní vazby mohou být jednoduché, dvojité nebo trojné. Jednoduchá vazba sdílí jeden pár elektronů. Dvojná vazba sdílí dva páry. Trojná vazba sdílí tři páry. Čím více sdílených párů, tím silnější a kratší je vazba. Ethen má dvojnou vazbu uhlík-uhlík. Ethyn má trojnou vazbu. Plynný dusík má trojnou vazbu, a proto je tak nereaktivní.

Kovalentní vazby mohou být polární nebo nepolární. V nepolární vazbě jsou elektrony rozděleny rovnoměrně. V polární vazbě jeden atom přitahuje elektrony silněji, čímž vznikají částečné kladné a záporné náboje. Rozdíl v elektronegativitě určuje polaritu. Polární vazby činí molekuly polárními, což ovlivňuje rozpustnost, bod varu a reaktivitu. Voda je polární, a proto rozpouští soli a cukry, ale ne oleje.

Kovalentní vazby nejsou vždy jednoduché vazby se dvěma centry a dvěma elektrony. Některé molekuly mají delokalizované elektrony, kde jsou elektrony sdíleny mezi více atomy. Benzen je klasickým příkladem. Delokalizace stabilizuje molekulu a dává jí jedinečné vlastnosti.