Kovalentní vazba je chemická vazba mezi dvěma nekovovými atomy. Příkladem je voda, kde se vodík (H) a kyslík (O) vážou na (H2O). Plná vnější slupka má obvykle osm elektronů nebo dva v případě vodíku nebo helia. Valenční elektrony jsou elektrony držené poměrně volně ve vnějším obalu atomu. Struktura elektronových slupek je určena kvantovou mechanikou.)
O počtu elektronů v atomu rozhoduje počet protonů v atomu. Elektrony obíhají kolem atomových jader a jsou jako rozmazané orbitální dráhy kolem atomového jádra. První vrstva má až dva elektrony. Následující vrstvy jich obvykle obsahují až osm. Kovalentní vazby vznikají tak, že atomy sdílejí valenční elektrony.
Pokud by například atom měl devět elektronů, první dva obíhají velmi blízko jádra, dalších sedm obíhá o něco dále. Vnějších sedm elektronů se drží méně pevně než vnitřní dva elektrony, protože jsou dále od kladně nabitého jádra. Pokud se tento atom přiblíží k jinému atomu s volně drženým elektronem ve vnějším obalu, uvolní se pro volně držený elektron nový orbital. Tento nový elektronový orbital je vázán na obě atomová jádra a má nižší energetickou hladinu než původní elektronový orbital. Elektron na něj může samovolně přeskočit a vyzářit foton s přebytečnou energií. Nyní máme elektron obíhající kolem obou atomů, což má za následek, že atom, který elektron poskytl, má malý čistý kladný náboj a druhý atom má malý čistý záporný náboj. Oba atomy jsou nyní drženy pohromadě elektromagnetickou přitažlivou silou mezi kladným a záporným nábojem. Tomu se říká kovalentní vazba. K přerušení této vazby je třeba stejné množství energie, jaké se uvolnilo při jejím vzniku.
Molekula vody se skládá z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku, které drží pohromadě kovalentní vazba. V tomto případě atom kyslíku sdílí s každým atomem vodíku jeden elektron. To znamená, že atomy kyslíku mají malý čistý kladný náboj a atomy vodíku mají malý čistý záporný náboj. V důsledku toho se atomy kyslíku a vodíku vzájemně přitahují v důsledku elektromagnetické síly. Z tohoto důvodu je molekula vody polární molekulou: její náboj není rovnoměrně rozložen.