Un orbital atómico es una región del espacio alrededor del núcleo de un átomo donde se encuentra un electrón. La ubicación exacta solo se puede aproximar mediante el uso de las leyes de la probabilidad. Los orbitales atómicos ocupan áreas esféricas alrededor del núcleo en tres dimensiones, por lo que los electrones no orbitan el núcleo como un planeta orbita una estrella. Los orbitales también tienen diferentes formas; un tipo que rodea simétricamente el núcleo de un átomo y otro que se extiende en diferentes direcciones a ambos lados del núcleo. Cada orbital atómico, sin importar su tipo, está situado en diferentes niveles de energía que se extienden más lejos del núcleo, siendo el nivel de energía más bajo el más cercano.
Cuando un nivel de energía rodea al núcleo, se denomina orbital s, y cuando el orbital se extiende a ambos lados, se identifica como orbital ap. También hay varias otras formas de los orbitales atómicos, que ayudan a describir la naturaleza de los electrones como ondas que rodean un núcleo. Los átomos con un solo electrón están estructurados como un planeta con atmósfera, y los átomos con muchos electrones parecen tener una nube de electrones rodeándolos. Los electrones cercanos al núcleo tienen energías más bajas, mientras que los orbitales se vuelven más complejos a niveles de energía más altos más alejados del núcleo.
Se utiliza un número cuántico para definir los estados de energía de los electrones, y los electrones cambian los niveles de energía al emitir o absorber energía. En un momento dado, el estado de un átomo se determina analizando su configuración electrónica, que puede cambiar a medida que interactúa con otros átomos y moléculas del entorno. Hay hasta tres orbitales p en cualquier nivel, excepto el primero alrededor del núcleo, y cuanto mayor es el nivel de energía, más alargado es el orbital. Cada orbital atómico contiene dos electrones que se diferencian por la dirección de su giro.
En los átomos involucrados, cada orbital atómico interactúa durante la formación de moléculas y compuestos. En orbitales atómicos de combinación lineal, dos o más átomos pueden compartir electrones entre los orbitales de cada uno. La teoría de los orbitales atómicos de hibridación describe la forma de una molécula cuando está unida por un átomo en lugar de unos pocos. Puede incluir la combinación de orbitales syp y también se indica el número de electrones. El orbital atómico de cada electrón en un átomo es estudiado por expertos en mecánica cuántica para comprender la complejidad de los átomos y cómo interactúan.