Elektrony nie krążą wokół jądra atomowego jak planety wokół Słońca. Znajdują się na orbitalach, czyli obszarach przestrzeni, w których elektron ma największe prawdopodobieństwo znalezienia się. Orbital to rozkład prawdopodobieństwa, a nie ścieżka. Kształt orbitalu zależy od poziomu energetycznego i podpoziomu elektronu. Orbital s jest kulisty. Orbitale p mają kształt hantli. Orbitale d i f są bardziej złożone.

Każdy orbital może pomieścić maksymalnie dwa elektrony o przeciwnych spinach. Zasada zakazu Pauliego zabrania, aby dwa elektrony na tym samym orbitalu miały ten sam spin. Liczba orbitali w podpoziomie określa liczbę elektronów, które może on pomieścić. Podpoziom s ma jeden orbital i zawiera dwa elektrony. Podpoziom p ma trzy orbitale i zawiera sześć. Podpoziom d ma pięć orbitali i zawiera dziesięć. Podpoziom f ma siedem orbitali i zawiera czternaście.

Kształty orbitali determinują sposób wiązania atomów i formowania się cząsteczek. Nakładanie się orbitali tworzy wiązania kowalencyjne. Orientacja orbitali determinuje geometrię cząsteczek. Energia orbitali determinuje barwę światła, którą atomy absorbują i emitują. Spektroskopia to badanie tych przejść.

Koncepcja orbitalu wywodzi się z mechaniki kwantowej. Została opracowana przez Erwina Schrödingera, Wernera Heisenberga i innych w latach dwudziestych XX wieku. Zastąpiła ona model orbit stałych Bohra. Orbital jest funkcją matematyczną, ale ma znaczenie fizyczne. Opisuje prawdopodobne położenie elektronu.