En kovalent binding er en kemisk binding mellem to ikke-metalatomer. Et eksempel er vand, hvor hydrogen (H) og oxygen (O) bindes sammen til (H2O). En fuld ydre skal har normalt otte elektroner, eller to i tilfælde af brint eller helium. Valenceelektroner er de elektroner, der holdes forholdsvis løst i atomets ydre skal. Elektronskallenes struktur er bestemt af kvantemekanikken.)
Atometallet af elektroner i et atom bestemmes af antallet af protoner i atomet. Elektroner kredser om atomkerner, og de er som uklare orbitalbaner omkring en atomkerne. Det første lag har op til to elektroner. De efterfølgende lag indeholder normalt op til otte. Kovalente bindinger dannes ved, at atomerne deler valenselektroner.
Hvis et atom f.eks. havde ni elektroner, kredser de to første meget tæt på kernen, mens de næste syv kredser lidt længere væk. De yderste syv elektroner er mindre fastlåste end de to inderste elektroner, fordi de er længere væk fra den positivt ladede kerne. Hvis dette atom kommer tæt på et andet atom med en løst fastholdt elektron i dets ydre skal, vil der blive en ny orbital ledig for den løst fastholdte elektron. Dette nye elektronorbital er bundet til begge atomkerner og har et lavere energiniveau end det oprindelige elektronorbital. Elektronen kan spontant springe til den og udsende en foton med den overskydende energi. Nu har vi en elektron i kredsløb om begge atomer, hvilket resulterer i, at det atom, der gav elektronen, har en lille positiv nettoladning, og det andet atom har en lille negativ nettoladning. De to atomer holdes nu sammen af den elektromagnetiske tiltrækningskraft mellem positive og negative ladninger. Dette kaldes en kovalent binding. For at bryde denne binding skal der bruges den samme mængde energi, som blev frigivet, da den blev dannet.
Et vandmolekyle består af et oxygenatom og to hydrogenatomer, der holdes sammen af en kovalent binding. I dette tilfælde deler oxygenatomet en elektron med hvert hydrogenatom. Det betyder, at iltatomerne har en lille positiv nettoladning, og at hydrogenatomet har en lille negativ nettoladning. Som følge heraf tiltrækkes ilt- og brintatomerne af hinanden på grund af den elektromagnetiske kraft. På grund af dette er vandmolekylet et polært molekyle: dets ladning er ikke jævnt fordelt.