Los electrones no orbitan alrededor del núcleo como los planetas alrededor del sol. Existen en orbitales, regiones del espacio donde es más probable encontrarlos. Un orbital es una distribución de probabilidad, no una trayectoria. La forma de un orbital depende del nivel y subnivel de energía del electrón. El orbital s es esférico. Los orbitales p tienen forma de mancuerna. Los orbitales d y f son más complejos.

Cada orbital contiene un máximo de dos electrones con espines opuestos. El principio de exclusión de Pauli prohíbe que dos electrones en el mismo orbital tengan el mismo espín. El número de orbitales en un subnivel determina cuántos electrones puede contener. Un subnivel s tiene un orbital y contiene dos electrones. Un subnivel p tiene tres orbitales y contiene seis. Un subnivel d tiene cinco orbitales y contiene diez. Un subnivel f tiene siete orbitales y contiene catorce.

La forma de los orbitales determina cómo se unen los átomos y cómo se forman las moléculas. La superposición de orbitales crea enlaces covalentes. La orientación de los orbitales determina la geometría molecular. La energía de los orbitales determina los colores de la luz que los átomos absorben y emiten. La espectroscopia es el estudio de estas transiciones.

El concepto de orbital proviene de la mecánica cuántica. Fue desarrollado por Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y otros en la década de 1920. Reemplazó el modelo de órbitas fijas de Bohr. El orbital es una función matemática, pero tiene significado físico. Describe dónde es probable que se encuentre el electrón.