Elektronlar, gezegenlerin güneşin etrafında döndüğü gibi çekirdeğin etrafında dönmezler. Elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu uzay bölgeleri olan orbitallerde var olurlar. Bir orbital, bir yol değil, bir olasılık dağılımıdır. Bir orbitalin şekli, elektronun enerji seviyesine ve alt seviyesine bağlıdır. S orbitali küreseldir. P orbitalleri dambıl şeklindedir. D ve f orbitalleri daha karmaşıktır.

Her orbital, zıt spinlere sahip en fazla iki elektron tutabilir. Pauli dışlama prensibi, aynı orbitaldeki iki elektronun aynı spine sahip olmasını yasaklar. Bir alt seviyedeki orbital sayısı, kaç elektron tutabileceğini belirler. Bir s alt seviyesi bir orbitale sahiptir ve iki elektron tutar. Bir p alt seviyesi üç orbitale sahiptir ve altı elektron tutar. Bir d alt seviyesi beş orbitale sahiptir ve on elektron tutar. Bir f alt seviyesi yedi orbitale sahiptir ve on dört elektron tutar.

Orbitallerin şekilleri, atomların nasıl bağlandığını ve moleküllerin nasıl oluştuğunu belirler. Orbitallerin örtüşmesi kovalent bağlar oluşturur. Orbitallerin yönelimi moleküler geometriyi belirler. Orbitallerin enerjisi, atomların emdiği ve yaydığı ışığın renklerini belirler. Spektroskopi, bu geçişlerin incelenmesidir.

Orbital kavramı kuantum mekaniğinden gelir. 1920'lerde Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg ve diğerleri tarafından geliştirilmiştir. Sabit yörüngeler modeli olan Bohr modelinin yerini almıştır. Orbital matematiksel bir fonksiyondur, ancak fiziksel bir anlamı vardır. Elektronun nerede olma olasılığının yüksek olduğunu tanımlar.