Atom orbitalleri, elektronların atom çekirdeği etrafında bulunma olasılığının en yüksek olduğu bölgeleri ifade eder. Orbitaller, enerji seviyelerine ve şekillerine göre s, p, d ve f orbitalleri olarak adlandırılır.
Elektronlar, orbitallere belirli kurallara göre yerleşir. Bu kurallar, elektronların en düşük enerjili orbitallere yerleşmesi (Aufbau Prensibi), bir orbitale en fazla iki elektron yerleştirilmesi (Pauli Dışarlama Prensibi) ve aynı enerji seviyesindeki orbitallerin önce tek tek doldurulmasıdır (Hund Kuralı).
Atom orbitalleri, bir elementin kimyasal bağ yapma kapasitesini ve periyodik tablodaki yerini belirleyen temel unsurlardır.