Два атома водорода имеют по одному электрону. Они делят эти электроны, образуя молекулу водорода. Эта общая пара электронов удерживает атомы вместе. Это ковалентная связь, связь, образующаяся за счет обмена электронными парами между атомами. Это наиболее распространенный тип связи в органической химии и биологии. Вода, белки, ДНК и жиры — все они удерживаются вместе ковалентными связями.

Ковалентные связи могут быть одинарными, двойными или тройными. В одинарной связи разделяется одна пара электронов. В двойной связи разделяются две пары. В тройной связи разделяются три пары. Чем больше пар электронов разделяется, тем прочнее и короче связь. В этене углерод-углеродная двойная связь. В этине тройная связь. В газообразном азоте тройная связь, поэтому он так нереактивен.

Ковалентные связи могут быть полярными или неполярными. В неполярной связи электроны распределяются поровну. В полярной связи один атом притягивает электроны сильнее, создавая частичные положительные и отрицательные заряды. Разница в электроотрицательности определяет полярность. Полярные связи делают молекулы полярными, что влияет на растворимость, температуру кипения и реакционную способность. Вода является полярной, поэтому она растворяет соли и сахара, но не масла.

Ковалентные связи не всегда являются простыми двухцентровыми двухэлектронными связями. В некоторых молекулах электроны делокализованы, то есть распределены между несколькими атомами. Классическим примером является бензол. Делокализация стабилизирует молекулу и придает ей уникальные свойства.