Elektroner kretsar inte kring kärnan som planeter runt solen. De existerar i orbitaler, områden i rymden där elektronen är mest sannolikt att hittas. En orbital är en sannolikhetsfördelning, inte en bana. Formen på en orbital beror på elektronens energinivå och undernivå. s-orbitalen är sfärisk. p-orbitalerna är hantelformade. d- och f-orbitalerna är mer komplexa.

Varje orbital rymmer maximalt två elektroner med motsatta spinn. Paulis uteslutningsprincip förbjuder två elektroner i samma orbital att ha samma spinn. Antalet orbitaler i en undernivå avgör hur många elektroner den kan hålla. En s-undernivå har en orbital och rymmer två elektroner. En p-undernivå har tre orbitaler och rymmer sex. En d-undernivå har fem orbitaler och rymmer tio. En f-undernivå har sju orbitaler och rymmer fjorton.

Orbitalernas form avgör hur atomer binder och hur molekyler bildas. Överlappningen av orbitaler skapar kovalenta bindningar. Orbitalernas orientering avgör molekylgeometrin. Orbitalernas energi avgör färgerna på det ljus som atomer absorberar och avger. Spektroskopi är studiet av dessa övergångar.

Orbitalbegreppet kommer från kvantmekaniken. Det utvecklades av Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg och andra på 1920-talet. Det ersatte Bohrs modell för fasta banor. Orbitalen är en matematisk funktion, men den har en fysisk betydelse. Den beskriver var elektronen sannolikt befinner sig.