Kovalentni spojevi su tvari koje nastaju kada su dva ili više različitih elemenata spojeni kovalentnom vezom. Kovalentna veza nastaje kada dva atoma nemetala dijele elektron. Atomi se međusobno vežu u pokušaju da postanu stabilniji. Općenito, atomi su stabilniji kada imaju istu količinu elektrona kao najbliži plemeniti plin, a to obično znači da imaju osam elektrona u svojoj vanjskoj ljusci. U ionskim vezama, to postiže atom s jačom elektronegativnošću – količinom privlačenja koju atom ima prema elektronima – kradući elektrone od onih s manjom elektronegativnošću. Za kovalentne spojeve niti jedan atom nije dovoljno jak da ukrade elektrone, pa ih dijele.
Postoje dvije vrste kovalentnih veza koje mogu formirati kovalentne spojeve: polarne veze i nepolarne veze. Polarne veze obično se sastoje od različitih atoma koji nejednako dijele elektrone. To je često rezultat toga što jači elektronegativni atom privlači elektrone bliže od slabijeg atoma. Budući da elektron većinu svog vremena provodi bliže jednom atomu nego drugom, rezultat je kovalentni spoj koji ima djelomično negativan i djelomično pozitivan kraj.
Nepolarne kovalentne veze obično tvore dva atoma koji jednako dijele elektrone. Kod ovih vrsta veza, elektroni provode isto vrijeme sa svakim atomom tako da nema polarnih krajeva. Najbolji primjer polarne molekule je voda koja ima kemijsku formulu H2O. U ovom slučaju, atom kisika privlači elektrone više k sebi nego dva vodikova atoma, što rezultira kovalentnim spojem koji je djelomično negativan na kraju kisika, a djelomično pozitivan na kraju vodika. Primjer nepolarne molekule je molekula metana (CH4) u kojoj svi atomi jednako dijele svoje elektrone.
Općenito, kovalentni spojevi imaju nisko talište i vrelište u usporedbi s ionskim spojevima. Osim toga, tvar napravljena od kovalentnih spojeva obično nije tako tvrda kao ona napravljena od ionskih spojeva. Ove karakteristike su rezultat lakoće s kojom se molekule mogu odvojiti. Iako su atomi koji čine molekule u kovalentnom spoju tijesno povezani, pojedinačne molekule koje čine tvar mogu se malo držati jedna na drugoj. Na primjer, osoba može imati poteškoća s odvajanjem vodika i kisika u molekuli vode, ali kipuća voda – odvajanje molekula tako da se voda iz tekućine pretvara u plin – lakši je zadatak.
Ostale karakteristike većine kovalentnih spojeva su njihova nesposobnost da se otapaju i nesposobnost da vode elektricitet u vodi. Konačno, kovalentni spojevi imaju tendenciju da budu zapaljivi u usporedbi s ionskim spojevima. Ova zapaljivost nastaje jer se mnoge kovalentne veze obično sastoje od ugljika i vodika. Vodik i ugljik mogu izgorjeti u prisutnosti topline i kisika kako bi nastali ugljični dioksid i vodu u reakciji koja se zove izgaranje. Kao i kod svih ovih svojstava, postoje iznimke od pravila, na primjer, kovalentne veze koje nemaju ugljik ili vodik u svom sastavu nemaju tendenciju izgaranja.