Kovalenttinen sidos on kahden ei-metalliatomin välinen kemiallinen sidos. Esimerkki on vesi, jossa vety (H) ja happi (O) sitoutuvat toisiinsa muodostaen (H2O). Täydellä ulkokuorella on yleensä kahdeksan elektronia, vedyn tai heliumin tapauksessa kaksi. Valenssielektronit ovat atomin ulkokuoressa verrattain löysästi olevia elektroneja. Elektronikuorien rakenne määräytyy kvanttimekaniikan mukaan.)
Atomin elektronien lukumäärä määräytyy atomin protonien lukumäärän mukaan. Elektronit kiertävät atomiytimiä, ja ne ovat ikään kuin epäselviä kiertoratoja atomiytimen ympärillä. Ensimmäisessä kerroksessa on enintään kaksi elektronia. Sen jälkeisissä kerroksissa on yleensä enintään kahdeksan elektronia. Kovalenttiset sidokset muodostuvat, kun atomit jakavat valenssielektroneita.
Jos esimerkiksi atomissa olisi yhdeksän elektronia, kaksi ensimmäistä kiertää hyvin lähellä ydintä, seuraavat seitsemän kiertävät hieman kauempana. Seitsemän ulointa elektronia on vähemmän tiukasti kiinni kuin kaksi sisintä elektronia, koska ne ovat kauempana positiivisesti varautuneesta ytimestä. Jos tämä atomi pääsee lähelle toista atomia, jonka ulommalla kuorella on löysästi pidetty elektroni, löysästi pidetylle elektronille vapautuu uusi kiertorata. Tämä uusi elektronin orbitaali on sidottu molempiin atomiytimiin, ja sillä on matalampi energiataso kuin alkuperäisellä elektronin orbitaalilla. Elektroni voi spontaanisti hypätä sille ja lähettää fotonin ylimääräisellä energialla. Nyt elektroni kiertää molempia atomeja, mikä johtaa siihen, että elektronin luovuttaneella atomilla on pieni positiivinen nettovaraus ja toisella atomilla pieni negatiivinen nettovaraus. Positiivisten ja negatiivisten varausten välinen sähkömagneettinen vetovoima pitää nyt kaksi atomia yhdessä. Tätä kutsutaan kovalenttiseksi sidokseksi. Tämän sidoksen katkaisemiseen tarvitaan saman verran energiaa kuin sidosta muodostettaessa vapautui.
Vesimolekyyli koostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista, joita kovalenttinen sidos pitää yhdessä. Tällöin happiatomi jakaa yhden elektronin kunkin vetyatomin kanssa. Tämä tarkoittaa, että happiatomilla on pieni positiivinen nettovaraus ja vetyatomilla pieni negatiivinen nettovaraus. Tämän seurauksena happi- ja vetyatomit vetävät toisiaan puoleensa sähkömagneettisen voiman ansiosta. Tämän vuoksi vesimolekyyli on poolinen molekyyli: sen varaus ei ole tasaisesti jakautunut.