Электроны не вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Они существуют в орбиталях — областях пространства, где электрон с наибольшей вероятностью может быть обнаружен. Орбиталь — это распределение вероятностей, а не путь. Форма орбитали зависит от энергетического уровня и подуровня электрона. s-орбиталь имеет сферическую форму. p-орбитали имеют гантелеобразную форму. d- и f-орбитали более сложны.

Каждая орбиталь вмещает максимум два электрона с противоположными спинами. Принцип Паули запрещает двум электронам в одной орбитали иметь одинаковый спин. Количество орбиталей в подуровне определяет, сколько электронов он может вместить. s-подуровень имеет одну орбиталь и вмещает два электрона. p-подуровень имеет три орбитали и вмещает шесть. d-подуровень имеет пять орбиталей и вмещает десять. f-подуровень имеет семь орбиталей и вмещает четырнадцать.

Форма орбиталей определяет, как атомы образуют связи и как формируются молекулы. Перекрытие орбиталей создает ковалентные связи. Ориентация орбиталей определяет молекулярную геометрию. Энергия орбиталей определяет цвета света, которые атомы поглощают и излучают. Спектроскопия — это изучение этих переходов.

Концепция орбитали восходит к квантовой механике. Она была разработана Эрвином Шрёдингером, Вернером Гейзенбергом и другими в 1920-х годах. Она заменила модель Бора с фиксированными орбитами. Орбиталь — это математическая функция, но она имеет физический смысл. Она описывает, где, вероятно, будет находиться электрон.