Hai nguyên tử hydro mỗi nguyên tử có một electron. Chúng chia sẻ các electron đó để tạo thành phân tử hydro. Cặp electron được chia sẻ giữ các nguyên tử lại với nhau. Đó là liên kết cộng hóa trị, một liên kết được hình thành do sự chia sẻ các cặp electron giữa các nguyên tử. Đây là loại liên kết phổ biến nhất trong hóa học hữu cơ và sinh học. Nước, protein, DNA và chất béo đều được giữ với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị.

Liên kết cộng hóa trị có thể là liên kết đơn, liên kết đôi hoặc liên kết ba. Liên kết đơn chia sẻ một cặp electron. Liên kết đôi chia sẻ hai cặp electron. Liên kết ba chia sẻ ba cặp electron. Càng nhiều cặp electron được chia sẻ, liên kết càng mạnh và càng ngắn. Ethene có liên kết đôi carbon-carbon. Ethyne có liên kết ba. Khí nitơ có liên kết ba, đó là lý do tại sao nó rất ít phản ứng.

Liên kết cộng hóa trị có thể là phân cực hoặc không phân cực. Trong liên kết không phân cực, các electron được chia sẻ đều nhau. Trong liên kết phân cực, một nguyên tử hút các electron mạnh hơn, tạo ra các điện tích dương và âm một phần. Sự khác biệt về độ âm điện quyết định tính phân cực. Liên kết phân cực làm cho các phân tử trở nên phân cực, điều này ảnh hưởng đến độ tan, điểm sôi và khả năng phản ứng. Nước là phân tử phân cực, đó là lý do tại sao nó hòa tan muối và đường nhưng không hòa tan dầu.

Liên kết cộng hóa trị không phải lúc nào cũng là liên kết đơn giản giữa hai tâm và hai electron. Một số phân tử có electron không định xứ, trong đó các electron được chia sẻ giữa nhiều nguyên tử. Benzen là ví dụ điển hình. Sự không định xứ này giúp ổn định phân tử và mang lại cho nó những tính chất độc đáo.