Les électrons ne gravitent pas autour du noyau comme les planètes autour du soleil. Ils occupent des orbitales, des régions de l'espace où leur présence est la plus probable. Une orbitale représente une distribution de probabilité, et non une trajectoire. Sa forme dépend du niveau et du sous-niveau d'énergie de l'électron. L'orbitale s est sphérique. Les orbitales p ont une forme d'haltère. Les orbitales d et f sont plus complexes.

Chaque orbitale peut contenir au maximum deux électrons de spins opposés. Le principe d'exclusion de Pauli interdit à deux électrons d'une même orbitale d'avoir le même spin. Le nombre d'orbitales d'un sous-niveau détermine le nombre d'électrons qu'il peut contenir. Un sous-niveau s possède une seule orbitale et peut contenir deux électrons. Un sous-niveau p possède trois orbitales et peut contenir six électrons. Un sous-niveau d possède cinq orbitales et peut contenir dix électrons. Un sous-niveau f possède sept orbitales et peut contenir quatorze électrons.

La forme des orbitales détermine la manière dont les atomes se lient et dont les molécules se forment. Le recouvrement des orbitales crée des liaisons covalentes. L'orientation des orbitales détermine la géométrie moléculaire. L'énergie des orbitales détermine les couleurs de la lumière absorbée et émise par les atomes. La spectroscopie est l'étude de ces transitions.

Le concept d'orbitale provient de la mécanique quantique. Il a été développé par Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg et d'autres dans les années 1920. Il a remplacé le modèle de Bohr des orbites fixes. L'orbitale est une fonction mathématique, mais elle a une signification physique. Elle décrit la position probable de l'électron.