Ikatan kovalen adalah ikatan kimia antara dua atom non-logam. Contohnya adalah air, di mana hidrogen (H) dan oksigen (O) terikat bersama untuk membuat (H2 O). Kulit terluar penuh biasanya memiliki delapan elektron, atau dua dalam kasus hidrogen atau helium. Elektron valensi adalah elektron yang dipegang relatif longgar di kulit terluar atom. Struktur kulit elektron ditentukan oleh mekanika kuantum).

Jumlah elektron dalam atom ditentukan oleh jumlah proton dalam atom. Elektron mengorbit inti atom, dan mereka seperti jalur orbital yang kabur di sekitar inti atom. Lapisan pertama memiliki hingga dua elektron. Lapisan setelah itu biasanya mengandung hingga delapan. Ikatan kovalen dibentuk oleh atom yang berbagi elektron valensi.

Jika misalnya, sebuah atom memiliki sembilan elektron, dua elektron pertama mengorbit sangat dekat dengan nukleus, tujuh elektron berikutnya mengorbit sedikit lebih jauh. Tujuh elektron terluar kurang dipegang erat daripada dua elektron bagian dalam karena mereka lebih jauh dari inti bermuatan positif. Jika atom ini mendekati atom lain, dengan elektron yang dipegang longgar di kulit terluarnya, orbital baru akan tersedia untuk elektron yang dipegang longgar. Orbital elektron baru ini terikat pada kedua inti atom dan memiliki tingkat energi yang lebih rendah daripada orbital elektron asli. Elektron dapat secara spontan melompat ke orbital tersebut dan memancarkan foton dengan energi berlebih. Sekarang kita memiliki elektron yang mengorbit kedua atom yang menghasilkan atom yang menyediakan elektron memiliki muatan positif bersih kecil dan atom lainnya memiliki muatan negatif bersih kecil. Kedua atom sekarang disatukan oleh gaya tarik elektromagnetik antara muatan positif dan negatif. Ini disebut ikatan kovalen. Untuk memutus ikatan ini membutuhkan jumlah energi yang sama seperti yang dilepaskan ketika ikatan itu terbentuk.

Molekul air terdiri dari satu atom oksigen dan dua atom hidrogen yang disatukan oleh ikatan kovalen. Dalam hal ini atom oksigen berbagi satu elektron dengan setiap atom hidrogen. Ini berarti bahwa atom oksigen memiliki muatan positif bersih kecil dan atom hidrogen memiliki muatan negatif bersih kecil. Akibatnya, atom oksigen dan hidrogen tertarik satu sama lain karena gaya elektromagnetik. Karena itu, molekul air adalah molekul polar: muatannya tidak terdistribusi secara merata.