Os eletrões não orbitam o núcleo como os planetas orbitam o Sol. Existem em orbitais, regiões do espaço onde é mais provável encontrar um eletrão. Um orbital é uma distribuição de probabilidade, não uma trajetória. A forma de um orbital depende do nível e subnível de energia do eletrão. O orbital s é esférico. Os orbitais p têm forma de haltere. Os orbitais d e f são mais complexos.

Cada orbital comporta no máximo dois eletrões com spins opostos. O princípio da exclusão de Pauli impede que dois eletrões no mesmo orbital tenham o mesmo spin. O número de orbitais num subnível determina quantos eletrões pode conter. Um subnível s possui um orbital e comporta dois eletrões. Um subnível p tem três orbitais e comporta seis. Um subnível d tem cinco orbitais e comporta dez. Um subnível f tem sete orbitais e comporta catorze.

As formas dos orbitais determinam a forma como os átomos se ligam e como as moléculas se formam. A sobreposição dos orbitais cria ligações covalentes. A orientação dos orbitais determina a geometria molecular. A energia dos orbitais determina as cores da luz que os átomos absorvem e emitem. A espectroscopia é o estudo destas transições.

O conceito de orbital vem da mecânica quântica. Foi desenvolvido por Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg e outros na década de 1920. Substituiu o modelo de Bohr de órbitas fixas. O orbital é uma função matemática, mas tem significado físico. Descreve onde o eletrão provavelmente estará.