Un orbital atomic este o regiune a spațiului din jurul nucleului unui atom în care se află un electron. Locația exactă poate fi aproximată doar folosind legile probabilității. Orbitii atomici ocupă zone sferice în jurul nucleului în trei dimensiuni, astfel încât electronii nu orbitează în jurul nucleului așa cum o planetă orbitează o stea. Există, de asemenea, diferite forme pentru orbitali; un tip care înconjoară simetric nucleul unui atom și altul care se răspândește în direcții diferite de fiecare parte a nucleului. Fiecare orbital atomic, indiferent de tipul său, este situat la diferite niveluri de energie, care se extind mai departe de nucleu, cel mai scăzut nivel de energie fiind cel mai apropiat.
Când un nivel de energie înconjoară nucleul, se numește orbital s, iar atunci când orbitalul se extinde pe ambele părți, este identificat ca orbital ap. Există și alte forme ale orbitalilor atomici, care ajută la descrierea naturii electronilor ca unde în jurul unui nucleu. Atomii cu un singur electron sunt structurați ca o planetă cu atmosferă, iar atomii cu mulți electroni par să aibă un nor de electroni în jurul lor. Electronii din apropierea nucleului au energii mai mici, în timp ce orbitalii devin mai complexi la niveluri de energie mai înalte mai departe de nucleu.
Un număr cuantic este folosit pentru a defini stările energetice ale electronilor, iar electronii schimbă nivelurile de energie prin emiterea sau absorbția energiei. În orice moment, starea unui atom este determinată prin analiza configurației sale electronice, care se poate modifica pe măsură ce interacționează cu alți atomi și molecule din mediu. Există până la trei orbitali p la orice nivel, cu excepția primului în jurul nucleului, iar cu cât nivelul de energie este mai mare, cu atât orbitalul este mai alungit. Fiecare orbital atomic deține doi electroni care sunt diferențiați prin direcția spinului lor.
În atomii implicați, fiecare orbital atomic interacționează în timpul formării moleculelor și compușilor. În orbitalii atomici combinați liniari, doi sau mai mulți atomi pot împărți electroni între orbitalii fiecăruia. Teoria orbitalilor atomici de hibridizare descrie forma unei molecule atunci când aceasta este legată împreună de un atom, mai degrabă decât de câțiva. Poate include combinația ambilor orbitali s și p și este indicat și numărul de electroni. Orbitalul atomic al fiecărui electron dintr-un atom este studiat de experți în mecanică cuantică pentru a înțelege complexitatea atomilor și modul în care aceștia interacționează.