Elektronen draaien niet om de kern zoals planeten om de zon. Ze bevinden zich in orbitalen, gebieden in de ruimte waar het elektron zich het meest waarschijnlijk bevindt. Een orbitaal is een waarschijnlijkheidsverdeling, geen pad. De vorm van een orbitaal hangt af van het energieniveau en het subniveau van het elektron. Het s-orbitaal is bolvormig. De p-orbitalen hebben een haltervorm. De d- en f-orbitalen zijn complexer.

Elk orbitaal kan maximaal twee elektronen met tegengestelde spin bevatten. Het Pauli-uitsluitingsprincipe verbiedt dat twee elektronen in hetzelfde orbitaal dezelfde spin hebben. Het aantal orbitalen in een subniveau bepaalt hoeveel elektronen het kan bevatten. Een s-subniveau heeft één orbitaal en bevat twee elektronen. Een p-subniveau heeft drie orbitalen en bevat er zes. Een d-subniveau heeft vijf orbitalen en bevat er tien. Een f-subniveau heeft zeven orbitalen en bevat er veertien.

De vorm van orbitalen bepaalt hoe atomen bindingen aangaan en hoe moleculen zich vormen. De overlapping van orbitalen creëert covalente bindingen. De oriëntatie van orbitalen bepaalt de moleculaire geometrie. De energie van orbitalen bepaalt de kleuren van het licht dat atomen absorberen en uitzenden. Spectroscopie is de studie van deze overgangen.

Het concept van het orbitaal is afkomstig uit de kwantummechanica. Het werd in de jaren twintig van de vorige eeuw ontwikkeld door Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg en anderen. Het verving het Bohr-model van vaste banen. Het orbitaal is een wiskundige functie, maar heeft een fysische betekenis. Het beschrijft waar het elektron zich waarschijnlijk bevindt.