原子之間通過共用電子而產生的化學結合作用。典型的共價鍵存在於同核雙原子分子中，由每個原子提供一個電子構成成鍵電子對。這對電子的自旋方向相反，集中在中間區域，並吸引帶正電的兩個原子的核心部分而把它們結合起來。在異核雙原子分子中，兩個原子的核心部分對成鍵電子的吸引力不同，成鍵電子偏向一方，例如在氟化氫分子中電子偏向氟，這種化學鍵稱為極性鍵。根據量子力學理論，分佈於兩個原子之間的成鍵電子雲對於分子軸（兩個原子核的連線）可以是圓形對稱的，這種鍵稱為σ鍵。也可能有一一個通過分子軸的對稱結面（在結面上成鍵電子雲密度等於零），這種鍵稱為π鍵。若有兩個通過分子軸的對稱結面則稱為δ鍵。σ鍵、π鍵和 δ鍵電子的角動量在分子軸方向的投影分別為0、1、2個角動量單位。兩個原子還可以共享一個電子，形成單電子鍵（例如在H2+中），也可以共享幾對電子，形成多重鍵(例如在N2分子中形成三重鍵，其中有一個σ鍵和兩個π鍵)。
在多原子分子中，共價鍵可以存在於兩個原子之間，稱為定域鍵；也可以存在於多個原子之間，稱為離域鍵。共價鍵的特征是有飽和性、方向性和作用的短程性。一個原子能形成的典型共價鍵的數目等於該原子的價電子數，稱為它的原子價。共價鍵之間有特定的相對取向，例如水分子是彎曲形的而二氧化碳分子是直線形的。共價鍵的方向性使分子具有特定的幾何形狀。（見彩圖）
s軌道
px軌道
py軌道
pz軌道
dxy軌道
dxz軌道
dyz軌道
dx2-y2軌道
dz2軌道
sp雜化軌道電子雲模型
sp²雜化軌道電子雲模型
氮分子中的σ健（藍色）和π鍵（紅色）
sp³雜化軌道電子雲模型
sp³d²雜化軌道電子雲模型
氨分子中的近似sp³軌道
乙烯分子中的一個π鍵（藍色）
乙炔分子中的兩個π鍵（藍色）
苯分子中的離域π鍵（黃色）