Kovalentne spojine so snovi, ki nastanejo, ko sta dva ali več različnih elementov združena s kovalentno vezjo. Kovalentna vez nastane, ko si dva nekovinska atoma delita elektron. Atomi se povezujejo, da bi postali bolj stabilni. Na splošno so atomi bolj stabilni, če imajo enako količino elektronov kot najbližji žlahtni plin, kar običajno pomeni, da imajo v svoji zunanji lupini osem elektronov. V ionskih vezjih to doseže atom z močnejšo elektronegativnostjo – količino vlečenja, ki jo ima atom za elektrone – ki ukrade elektrone tistim z manjšo elektronegativnostjo. Za kovalentne spojine noben atom ni dovolj močan, da bi ukradel elektrone, zato si jih delijo.
Obstajata dve vrsti kovalentnih vezi, ki lahko tvorita kovalentne spojine: polarne vezi in nepolarne vezi. Polarne vezi so običajno sestavljene iz različnih atomov, ki si neenakomerno delijo elektrone. To je pogosto posledica močnejšega elektronegativnega atoma, ki pritegne elektrone bližje kot šibkejši atom. Ker elektron preživi večino svojega časa bližje enemu atomu kot drugemu, je rezultat kovalentna spojina, ki ima delno negativen konec in delno pozitiven konec.
Nepolarne kovalentne vezi običajno tvorita dva atoma, ki si enakomerno delita elektrone. Pri teh vrstah vezi elektroni preživijo enako količino časa z vsakim atomom, tako da ni polarnih koncev. Najboljši primer polarne molekule je voda, ki ima kemijsko formulo H2O. V tem primeru atom kisika pritegne elektrone k sebi bolj kot dva vodikova atoma, kar ima za posledico kovalentno spojino, ki je delno negativna na kisikovem koncu in delno pozitivna na koncu vodika. Primer nepolarne molekule je molekula metana (CH4), v kateri si vsi atomi enako delijo svoje elektrone.
Na splošno imajo kovalentne spojine nizko tališče in vrelišče v primerjavi z ionskimi spojinami. Poleg tega snov, izdelana iz kovalentnih spojin, ponavadi ni tako trda kot snov, izdelana iz ionskih spojin. Te značilnosti so posledica enostavnosti ločevanja molekul. Čeprav so atomi, ki sestavljajo molekule v kovalentni spojini, tesno povezani, se lahko posamezne molekule, ki sestavljajo snov, med seboj malo držijo. Človek ima lahko na primer težave pri ločevanju vodika in kisika v molekuli vode, vendar je vrela voda – ločevanje molekul, tako da se voda iz tekočine spremeni v plin – lažja naloga.
Druge značilnosti večine kovalentnih spojin so nezmožnost raztapljanja in nezmožnost prevajanja električne energije v vodi. Nazadnje, kovalentne spojine so običajno vnetljive v primerjavi z ionskimi spojinami. Ta vnetljivost se pojavi, ker je veliko kovalentnih vezi običajno sestavljeno iz ogljika in vodika. Vodik in ogljik lahko gorita v prisotnosti toplote in kisika, da tvorita ogljikov dioksid in vodo v reakciji, imenovani zgorevanje. Kot pri vseh teh lastnostih obstajajo izjeme od pravila, na primer, kovalentne vezi, ki v svoji sestavi nimajo ogljika ali vodika, ne izgorevajo.