Dwa atomy wodoru mają po jednym elektronie. Dzielą się tymi elektronami, tworząc cząsteczkę wodoru. Wspólna para elektronów spaja atomy. Jest to wiązanie kowalencyjne, utworzone przez dzielenie par elektronowych między atomami. Jest to najpowszechniejszy rodzaj wiązania w chemii organicznej i biologii. Woda, białka, DNA i tłuszcze są ze sobą połączone wiązaniami kowalencyjnymi.

Wiązania kowalencyjne mogą być pojedyncze, podwójne lub potrójne. Pojedyncze wiązanie ma jedną parę elektronów. Podwójne wiązanie ma dwie pary. Potrójne wiązanie ma trzy pary. Im więcej par, tym silniejsze i krótsze wiązanie. Eten ma podwójne wiązanie węgiel-węgiel. Etyn ma wiązanie potrójne. Azot ma wiązanie potrójne, dlatego jest tak mało reaktywny.

Wiązania kowalencyjne mogą być polarne lub niepolarne. W wiązaniu niepolarnym elektrony są równo rozdzielane. W wiązaniu polarnym jeden atom przyciąga elektrony silniej, tworząc cząstkowe ładunki dodatnie i ujemne. Różnica elektroujemności determinuje polarność. Wiązania polarne nadają cząsteczkom polarność, co wpływa na rozpuszczalność, temperaturę wrzenia i reaktywność. Woda jest polarna, dlatego rozpuszcza sole i cukry, ale nie oleje.

Wiązania kowalencyjne nie zawsze są prostymi wiązaniami dwucentrowymi i dwuelektronowymi. Niektóre cząsteczki mają zdelokalizowane elektrony, które są współdzielone przez wiele atomów. Klasycznym przykładem jest benzen. Delokalizacja stabilizuje cząsteczkę i nadaje jej unikalne właściwości.