Ένα ατομικό τροχιακό είναι μια περιοχή του χώρου γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου όπου βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο. Η ακριβής τοποθεσία μπορεί να προσεγγιστεί μόνο χρησιμοποιώντας τους νόμους των πιθανοτήτων. Τα ατομικά τροχιακά καταλαμβάνουν σφαιρικές περιοχές γύρω από τον πυρήνα σε τρεις διαστάσεις, έτσι τα ηλεκτρόνια δεν περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα όπως ένας πλανήτης σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι. Υπάρχουν επίσης διαφορετικά σχήματα στα τροχιακά. ένας τύπος που περιβάλλει συμμετρικά τον πυρήνα ενός ατόμου και ένας άλλος που απλώνεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις εκατέρωθεν του πυρήνα. Κάθε ατομικό τροχιακό, ανεξάρτητα από τον τύπο του, βρίσκεται σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας που εκτείνονται μακρύτερα από τον πυρήνα, με το χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο να είναι το πλησιέστερο.
Όταν ένα ενεργειακό επίπεδο περιβάλλει τον πυρήνα, ονομάζεται τροχιακό s, και όταν το τροχιακό απλώνεται και στις δύο πλευρές, προσδιορίζεται ως τροχιακό. Υπάρχουν επίσης διάφορα άλλα σχήματα στα ατομικά τροχιακά, τα οποία βοηθούν στην περιγραφή της φύσης των ηλεκτρονίων ως κυμάτων που περιβάλλουν έναν πυρήνα. Τα άτομα με ένα μόνο ηλεκτρόνιο είναι δομημένα όπως ένας πλανήτης με ατμόσφαιρα και τα άτομα με πολλά ηλεκτρόνια φαίνεται να έχουν ένα νέφος ηλεκτρονίων που τα περιβάλλει. Τα ηλεκτρόνια κοντά στον πυρήνα έχουν χαμηλότερες ενέργειες, ενώ τα τροχιακά γίνονται πιο πολύπλοκα σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας πιο μακριά από τον πυρήνα.
Ένας κβαντικός αριθμός χρησιμοποιείται για τον καθορισμό ενεργειακών καταστάσεων ηλεκτρονίων και τα ηλεκτρόνια αλλάζουν τα επίπεδα ενέργειας εκπέμποντας ή απορροφώντας ενέργεια. Σε κάθε δεδομένη στιγμή, η κατάσταση ενός ατόμου προσδιορίζεται αναλύοντας τη διαμόρφωση των ηλεκτρονίων του, η οποία μπορεί να αλλάξει καθώς αλληλεπιδρά με άλλα άτομα και μόρια στο περιβάλλον. Υπάρχουν έως και τρία τροχιακά p σε οποιοδήποτε επίπεδο, εκτός από το πρώτο γύρω από τον πυρήνα, και όσο υψηλότερο είναι το επίπεδο ενέργειας, τόσο πιο επιμήκη είναι το τροχιακό. Κάθε ατομικό τροχιακό έχει δύο ηλεκτρόνια τα οποία διαφοροποιούνται ανάλογα με την κατεύθυνση του σπιν τους.
Στα εμπλεκόμενα άτομα, κάθε ατομικό τροχιακό αλληλεπιδρά κατά το σχηματισμό μορίων και ενώσεων. Στα ατομικά τροχιακά γραμμικού συνδυασμού, δύο ή περισσότερα άτομα μπορούν να μοιράζονται ηλεκτρόνια μεταξύ των τροχιακών του καθενός. Η θεωρία ατομικών τροχιακών υβριδισμού περιγράφει το σχήμα ενός μορίου όταν είναι συνδεδεμένο μεταξύ τους από ένα άτομο και όχι από λίγα. Μπορεί να περιλαμβάνει τον συνδυασμό και των δύο τροχιακών s και p και υποδεικνύεται επίσης ο αριθμός των ηλεκτρονίων. Το ατομικό τροχιακό κάθε ηλεκτρονίου σε ένα άτομο μελετάται από ειδικούς στην κβαντομηχανική για να κατανοηθεί η πολυπλοκότητα των ατόμων και πώς αλληλεπιδρούν.