Deux atomes d'hydrogène possèdent chacun un électron. Ils partagent ces électrons pour former une molécule de dihydrogène. La paire d'électrons partagée assure la cohésion des atomes. Il s'agit d'une liaison covalente, une liaison formée par le partage de paires d'électrons entre atomes. C'est le type de liaison le plus courant en chimie organique et en biologie. L'eau, les protéines, l'ADN et les lipides sont tous maintenus ensemble par des liaisons covalentes.

Les liaisons covalentes peuvent être simples, doubles ou triples. Une liaison simple met en commun une paire d'électrons. Une liaison double en met en commun deux. Une liaison triple en met en commun trois. Plus le nombre de paires partagées est élevé, plus la liaison est forte et courte. L'éthène possède une double liaison carbone-carbone. L'éthyne possède une triple liaison. Le diazote possède une triple liaison, ce qui explique sa faible réactivité.

Les liaisons covalentes peuvent être polaires ou non polaires. Dans une liaison non polaire, les électrons sont partagés équitablement. Dans une liaison polaire, un atome attire davantage les électrons, créant des charges partielles positives et négatives. La différence d'électronégativité détermine la polarité. Les liaisons polaires confèrent une polarité aux molécules, ce qui influence leur solubilité, leur point d'ébullition et leur réactivité. L'eau est polaire, c'est pourquoi elle dissout les sels et les sucres, mais pas les huiles.

Les liaisons covalentes ne sont pas toujours de simples liaisons à deux centres et deux électrons. Certaines molécules possèdent des électrons délocalisés, c'est-à-dire partagés entre plusieurs atomes. Le benzène en est l'exemple classique. Cette délocalisation stabilise la molécule et lui confère des propriétés uniques.