Elektrony neobíhají kolem jádra jako planety kolem Slunce. Existují v orbitalech, oblastech prostoru, kde se elektron s největší pravděpodobností nachází. Orbitál je rozdělení pravděpodobnosti, nikoli dráha. Tvar orbitalu závisí na energetické hladině a podhladině elektronu. S-orbitál je sférický. P-orbitály mají tvar činky. D-orbitály a f-orbitály jsou složitější.

Každý orbitál obsahuje maximálně dva elektrony s opačnými spiny. Pauliho vylučovací princip zakazuje, aby dva elektrony ve stejném orbitalu měly stejný spin. Počet orbitalů v podúrovni určuje, kolik elektronů může pojmout. Podúroveň s má jeden orbital a obsahuje dva elektrony. Podúroveň p má tři orbitaly a obsahuje šest. Podúroveň d má pět orbitalů a obsahuje deset. Podúroveň f má sedm orbitalů a obsahuje čtrnáct.

Tvary orbitalů určují, jak se atomy vážou a jak vznikají molekuly. Překrývání orbitalů vytváří kovalentní vazby. Orientace orbitalů určuje molekulární geometrii. Energie orbitalů určuje barvy světla, které atomy absorbují a emitují. Spektroskopie je studium těchto přechodů.

Koncept orbitalu pochází z kvantové mechaniky. Vyvinuli ho Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg a další ve 20. letech 20. století. Nahradil Bohrův model pevných drah. Orbital je matematická funkce, ale má fyzikální význam. Popisuje, kde se elektron pravděpodobně nachází.