Zwei Wasserstoffatome besitzen jeweils ein Elektron. Sie teilen sich diese Elektronen und bilden so ein Wasserstoffmolekül. Das gemeinsame Elektronenpaar hält die Atome zusammen. Dies ist eine kovalente Bindung, eine Bindung, die durch die gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren zwischen Atomen entsteht. Sie ist die häufigste Bindungsart in der organischen Chemie und in der Biologie. Wasser, Proteine, DNA und Fette werden alle durch kovalente Bindungen zusammengehalten.

Kovalente Bindungen können Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen sein. Eine Einfachbindung teilt ein Elektronenpaar. Eine Doppelbindung teilt zwei Elektronenpaare. Eine Dreifachbindung teilt drei Elektronenpaare. Je mehr Elektronenpaare geteilt werden, desto stärker und kürzer ist die Bindung. Ethen besitzt eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. Ethin besitzt eine Dreifachbindung. Stickstoffgas besitzt eine Dreifachbindung, weshalb es so reaktionsträge ist.

Kovalente Bindungen können polar oder unpolar sein. Bei einer unpolaren Bindung werden die Elektronen gleichmäßig geteilt. Bei einer polaren Bindung zieht ein Atom die Elektronen stärker an, wodurch partielle positive und negative Ladungen entstehen. Die Differenz der Elektronegativität bestimmt die Polarität. Polare Bindungen machen Moleküle polar, was sich auf Löslichkeit, Siedepunkt und Reaktivität auswirkt. Wasser ist polar, weshalb es Salze und Zucker, aber keine Öle löst.

Kovalente Bindungen sind nicht immer einfache Zwei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindungen. Manche Moleküle besitzen delokalisierte Elektronen, die über mehrere Atome verteilt sind. Benzol ist hierfür ein klassisches Beispiel. Diese Delokalisierung stabilisiert das Molekül und verleiht ihm einzigartige Eigenschaften.