Atomska orbitala je prostor oko jezgre atoma gdje se nalazi elektron. Točno mjesto može se odrediti samo pomoću zakona vjerojatnosti. Atomske orbitale zauzimaju sferna područja oko jezgre u tri dimenzije, tako da elektroni ne kruže oko jezgre kao što planet kruži oko zvijezde. Postoje različiti oblici i za orbitale; jedan tip koji simetrično okružuje jezgru atoma, a drugi koji se širi u različitim smjerovima s obje strane jezgre. Svaka atomska orbitala, bez obzira na njen tip, nalazi se na različitim energetskim razinama koje se protežu dalje od jezgre, pri čemu je najniža energetska razina najbliža.
Kada energetska razina okružuje jezgru, naziva se s orbitala, a kada se orbitala širi s obje strane, identificira se kao ap orbitala. Postoje i razni drugi oblici atomskih orbitala, koji pomažu opisati prirodu elektrona kao valova koji okružuju jezgru. Atomi s jednim elektronom strukturirani su poput planeta s atmosferom, a čini se da atomi s mnogo elektrona imaju oblak elektrona koji ih okružuje. Elektroni u blizini jezgre imaju nižu energiju, dok orbitale postaju složenije na višim energetskim razinama dalje od jezgre.
Za definiranje energetskih stanja elektrona koristi se kvantni broj, a elektroni mijenjaju razine energije emitirajući ili apsorbirajući energiju. U svakom trenutku, stanje atoma određuje se analizom njegove elektronske konfiguracije, koja se može promijeniti u interakciji s drugim atomima i molekulama u okolišu. Na bilo kojoj razini postoje do tri p orbitale, osim prve oko jezgre, a što je viša energetska razina, to je orbitala izduženija. Svaka atomska orbitala sadrži dva elektrona koji se razlikuju po smjeru vrtnje.
U uključenim atomima, svaka atomska orbitala je u interakciji tijekom formiranja molekula i spojeva. U linearnoj kombinaciji atomskih orbitala, dva ili više atoma mogu dijeliti elektrone između orbitala svake od njih. Teorija hibridizacijskih atomskih orbitala opisuje oblik molekule kada je povezana s jednim atomom, a ne s nekoliko. Može uključivati kombinaciju s i p orbitala, a također je naveden broj elektrona. Atomsku orbitalu svakog elektrona u atomu proučavaju stručnjaci za kvantnu mehaniku kako bi razumjeli složenost atoma i njihovu interakciju.