Elektroner går ikke i bane rundt kjernen slik planeter rundt solen. De finnes i orbitaler, områder i rommet der elektronet mest sannsynlig finnes. En orbital er en sannsynlighetsfordeling, ikke en bane. Formen på en orbital avhenger av elektronets energinivå og undernivå. s-orbitalen er sfærisk. p-orbitalen er hantelformet. d- og f-orbitalen er mer komplekse.

Hver orbital har maksimalt to elektroner med motsatte spinn. Paulis eksklusjonsprinsipp forbyr to elektroner i samme orbital å ha samme spinn. Antall orbitaler i et undernivå bestemmer hvor mange elektroner det kan holde. Et s-undernivå har én orbital og har to elektroner. Et p-undernivå har tre orbitaler og har seks. Et d-undernivå har fem orbitaler og har ti. Et f-undernivå har syv orbitaler og har fjorten.

Formen på orbitaler bestemmer hvordan atomer binder seg og hvordan molekyler dannes. Overlappingen av orbitaler skaper kovalente bindinger. Orbitalenes orientering bestemmer molekylær geometri. Orbitalenes energi bestemmer fargene på lyset som atomer absorberer og sender ut. Spektroskopi er studiet av disse overgangene.

Orbitalbegrepet kommer fra kvantemekanikken. Det ble utviklet av Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg og andre på 1920-tallet. Det erstattet Bohr-modellen for faste baner. Orbitalen er en matematisk funksjon, men den har fysisk betydning. Den beskriver hvor elektronet sannsynligvis befinner seg.