Dois átomos de hidrogénio possuem um eletrão cada. Partilham esses eletrões para formar uma molécula de hidrogénio. O par de eletrões partilhado mantém os átomos unidos. Esta é uma ligação covalente, uma ligação formada pela partilha de pares de eletrões entre átomos. É o tipo de ligação mais comum em química orgânica e em biologia. A água, as proteínas, o ADN e as gorduras são todos mantidos unidos por ligações covalentes.

As ligações covalentes podem ser simples, duplas ou triplas. Uma ligação simples partilha um par de eletrões. Uma ligação dupla partilha dois pares. Uma ligação tripla partilha três pares. Quanto mais pares partilhados, mais forte e mais curta é a ligação. O eteno possui uma ligação dupla carbono-carbono. O etino possui uma ligação tripla. O gás azoto possui uma ligação tripla, razão pela qual é tão pouco reativo.

As ligações covalentes podem ser polares ou apolares. Numa ligação apolar, os eletrões são partilhados igualmente. Numa ligação polar, um átomo atrai os eletrões com mais força, criando cargas parciais positivas e negativas. A diferença de eletronegatividade determina a polaridade. As ligações polares tornam as moléculas polares, o que afeta a solubilidade, o ponto de ebulição e a reatividade. A água é polar, razão pela qual dissolve sais e açúcares, mas não óleos.

As ligações covalentes nem sempre são ligações simples de dois centros e dois eletrões. Algumas moléculas possuem eletrões deslocalizados, ou seja, eletrões partilhados entre múltiplos átomos. O benzeno é o exemplo clássico. A deslocalização estabiliza a molécula e confere-lhe propriedades únicas.