Elektroner kredser ikke om kernen som planeter omkring solen. De findes i orbitaler, områder i rummet, hvor elektronen mest sandsynligt findes. En orbital er en sandsynlighedsfordeling, ikke en bane. Formen på en orbital afhænger af elektronens energiniveau og underniveau. s-orbitalen er sfærisk. p-orbitalerne er håndvægtsformede. d- og f-orbitalerne er mere komplekse.

Hver orbital kan indeholde maksimalt to elektroner med modsatte spins. Paulis udelukkelsesprincip forbyder to elektroner i samme orbital at have samme spin. Antallet af orbitaler i et underniveau bestemmer, hvor mange elektroner det kan indeholde. Et s-underniveau har én orbital og indeholder to elektroner. Et p-underniveau har tre orbitaler og indeholder seks. Et d-underniveau har fem orbitaler og indeholder ti. Et f-underniveau har syv orbitaler og indeholder fjorten.

Orbitalernes form bestemmer, hvordan atomer binder sig, og hvordan molekyler dannes. Overlapningen af ​​orbitaler skaber kovalente bindinger. Orbitalernes orientering bestemmer molekylær geometri. Orbitalernes energi bestemmer farverne på det lys, som atomer absorberer og udsender. Spektroskopi er studiet af disse overgange.

Orbitalkonceptet stammer fra kvantemekanikken. Det blev udviklet af Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg og andre i 1920'erne. Det erstattede Bohr-modellen for faste baner. Orbitalen er en matematisk funktion, men den har fysisk betydning. Den beskriver, hvor elektronen sandsynligvis befinder sig.