Atomska orbitala je območje prostora okoli jedra atoma, kjer se nahaja elektron. Natančno lokacijo je mogoče približati le z uporabo zakonov verjetnosti. Atomske orbitale zasedajo sferična območja okoli jedra v treh dimenzijah, zato elektroni ne krožijo okoli jedra, kot planet kroži okoli zvezde. Obstajajo tudi različne oblike orbital; ena vrsta, ki simetrično obdaja jedro atoma, in druga, ki se širi v različne smeri na obeh straneh jedra. Vsaka atomska orbitala, ne glede na njen tip, se nahaja na različnih energijskih ravneh, ki segajo dlje od jedra, pri čemer je najnižja energijska raven najbližja.
Ko energijska raven obdaja jedro, se imenuje s orbitala, in ko se orbitala razširi na obeh straneh, jo identificiramo kot ap orbitalo. Obstajajo tudi različne druge oblike atomskih orbital, ki pomagajo opisati naravo elektronov kot valov, ki obdajajo jedro. Atomi z enim samim elektronom so strukturirani kot planet z atmosfero, atomi z veliko elektroni pa se zdi, da jih obdaja oblak elektronov. Elektroni blizu jedra imajo nižje energije, medtem ko orbitale postanejo bolj zapletene na višjih energijskih ravneh, ki so dlje od jedra.
Za opredelitev energetskih stanj elektronov se uporablja kvantno število, elektroni pa spreminjajo nivoje energije z oddajanjem ali absorpcijo energije. Stanje atoma se v vsakem trenutku določi z analizo njegove elektronske konfiguracije, ki se lahko spremeni, ko sodeluje z drugimi atomi in molekulami v okolju. Na kateri koli ravni so do tri p orbitale, razen prve okoli jedra, in višja kot je energijska raven, bolj je orbitala podolgovata. Vsaka atomska orbitala vsebuje dva elektrona, ki se razlikujeta glede na smer vrtenja.
V vključenih atomih vsaka atomska orbitala medsebojno deluje med tvorbo molekul in spojin. V linearni kombinaciji atomskih orbitalah si lahko dva ali več atomov delita elektrone med orbitalami vsakega. Hibridizacijska teorija atomskih orbital opisuje obliko molekule, ko jo veže en atom in ne več. Lahko vključuje kombinacijo s in p orbital, navedeno pa je tudi število elektronov. Strokovnjaki za kvantno mehaniko preučujejo atomsko orbitalo vsakega elektrona v atomu, da bi razumeli kompleksnost atomov in njihovo medsebojno delovanje.