Twee waterstofatomen hebben elk één elektron. Ze delen die elektronen om een ​​waterstofmolecuul te vormen. Het gedeelde elektronenpaar houdt de atomen bij elkaar. Dat is een covalente binding, een binding die ontstaat door het delen van elektronenparen tussen atomen. Het is het meest voorkomende type binding in de organische chemie en de biologie. Water, eiwitten, DNA en vetten worden allemaal bij elkaar gehouden door covalente bindingen.

Covalente bindingen kunnen enkelvoudig, dubbel of drievoudig zijn. Een enkelvoudige binding deelt één elektronenpaar. Een dubbele binding deelt twee paren. Een drievoudige binding deelt drie paren. Hoe meer paren er gedeeld worden, hoe sterker en korter de binding. Etheen heeft een koolstof-koolstof dubbele binding. Ethyn heeft een drievoudige binding. Stikstofgas heeft een drievoudige binding, daarom is het zo weinig reactief.

Covalente bindingen kunnen polair of apolair zijn. Bij een apolaire binding worden de elektronen gelijkmatig verdeeld. Bij een polaire binding trekt één atoom de elektronen sterker aan, waardoor gedeeltelijke positieve en negatieve ladingen ontstaan. Het verschil in elektronegativiteit bepaalt de polariteit. Polaire bindingen maken moleculen polair, wat de oplosbaarheid, het kookpunt en de reactiviteit beïnvloedt. Water is polair, daarom lost het zouten en suikers op, maar geen oliën.

Covalente bindingen zijn niet altijd eenvoudige tweecentrum-twee-elektronenbindingen. Sommige moleculen hebben gedelokaliseerde elektronen, waarbij de elektronen over meerdere atomen verdeeld zijn. Benzeen is hiervan een klassiek voorbeeld. Deze delokalisatie stabiliseert het molecuul en geeft het unieke eigenschappen.