Orbitale to obszary poza jądrem atomowym, w których najprawdopodobniej znajdują się elektrony. Charakteryzują się różnymi poziomami energii, kształtami i trójwymiarową orientacją. Położenie elektronów jest najczęściej opisywane przez powłokę lub główny poziom energetyczny, następnie przez podpowłokę w każdej powłoce, a na końcu przez poszczególne orbitale znajdujące się w podpowłokach.

Pierwsza powłoka znajduje się najbliżej jądra i ma tylko jedną podpowłokę z pojedynczym sferycznym orbitalem zwanym orbitalem 1s. Ten orbital może pomieścić dwa elektrony. Następna powłoka zawiera łącznie osiem elektronów: dwa na sferycznym orbicie 2s i po dwa na każdym z trzech orbitali 2p w kształcie hantli. Wyższe poziomy energii to najbardziej zewnętrzne orbitale – te znajdujące się w podpowłokach d i f – które przyjmują bardziej złożone kształty. W sumie 10 elektronów może zmieścić się na pięciu orbitalach d, a łącznie 14 elektronów mieści się na siedmiu orbitalach f. Podpowłoka s ma najmniejszą ilość energii. Elektrony w podpowłoce p mają wyższą energię, a następnie podpowłokę d i f, jeśli są obecne. Diagramy orbitalne mogą być używane do wizualizacji położenia i względnych poziomów energii każdego elektronu w atomie.

Koncepcja orbitali została wprowadzona przez model Bohra. W 1913 roku Niels Bohr był w stanie eksperymentalnie określić, ile energii zostało zyskane i utracone, gdy elektrony zmieniły orbitale w atomie wodoru i inne jony za pomocą jednego elektronu. Łącząc wyniki swoich eksperymentów z wcześniejszą wiedzą o dodatnio naładowanym jądrze z prac Ernesta Rutherforda, Bohr opracował pierwszy model orbitali elektronowych. Kiedy elektrony zyskują energię, wchodzą w stan wzbudzony i przeskakują na wyższe orbitale. Energia może być dodawana do elektronów w postaci ciepła lub światła, a kiedy szybko tracą tę energię, opadają z wyższego orbitalu i emitują cząstkę światła zwaną fotonem. Kolor emitowanego fotonu odpowiada określonej ilości energii, którą można określić ilościowo za pomocą spektroskopu.

Model orbitali elektronowych Bohra zakładał, że elektrony krążą wokół jądra po ustalonych torach kołowych. Podczas gdy jego eksperymenty były dokładne dla wodoru i jonów wodoropodobnych z pojedynczym elektronem, nie był w stanie przewidzieć konfiguracji elektronowych innych pierwiastków. W 1926 roku Erwin Schrödinger rozszerzył model poziomów energii Bohra i opracował model orbitali atomowych, który jest akceptowany do dziś. Schrödinger wziął pod uwagę szereg innych odkryć dotyczących fizycznego zachowania elektronów, które zostały dokonane przez naukowców na początku lat dwudziestych XX wieku. Jego model mechaniki kwantowej dokładnie przewiduje konfiguracje elektronowe pierwiastków z wieloma elektronami. Jedną z fundamentalnych zmian w modelu Schrödingera jest założenie, że elektrony poruszają się w ruchu falowym, na który wpływa dodatni ładunek jądra. Z tego powodu orbitale, o których dzisiaj mówimy, są obszarami podobnymi do chmur, w których najprawdopodobniej znajdują się elektrony, a nie stałymi torami kołowymi, jak proponował Bohr.