Electronii nu orbitează nucleul precum planetele în jurul soarelui. Ei există în orbitali, regiuni ale spațiului unde este cel mai probabil să se găsească electronul. Un orbital este o distribuție de probabilitate, nu o traiectorie. Forma unui orbital depinde de nivelul de energie și subnivelul electronului. Orbitalul s este sferic. Orbitalii p au formă de ganteră. Orbitalii d și f sunt mai complecși.

Fiecare orbital conține maximum doi electroni cu spini opuși. Principiul de excluziune Pauli interzice ca doi electroni din același orbital să aibă același spin. Numărul de orbitali dintr-un subnivel determină câți electroni poate conține. Un subnivel s are un orbital și conține doi electroni. Un subnivel p are trei orbitali și conține șase. Un subnivel d are cinci orbitali și conține zece. Un subnivel f are șapte orbitali și conține paisprezece.

Formele orbitalilor determină modul în care atomii se leagă și modul în care se formează moleculele. Suprapunerea orbitalilor creează legături covalente. Orientarea orbitalilor determină geometria moleculară. Energia orbitalilor determină culorile luminii pe care atomii le absorb și le emit. Spectroscopia este studiul acestor tranziții.

Conceptul de orbital provine din mecanica cuantică. A fost dezvoltat de Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg și alții în anii 1920. Acesta a înlocuit modelul Bohr al orbitelor fixe. Orbitalul este o funcție matematică, dar are o semnificație fizică. Descrie unde este probabil să se afle electronul.