A kovalens kötés két nem fématom közötti kémiai kötés. Erre példa a víz, ahol a hidrogén (H) és az oxigén (O) kötése (H2O). Egy teljes külső héj általában nyolc elektronnal rendelkezik, a hidrogén vagy a hélium esetében kettővel. A valenciaelektronok az atom külső héjában viszonylag lazán tartott elektronok. Az elektronhéjak szerkezetét a kvantummechanika határozza meg.)
Az atomban lévő elektronok számát az atomban lévő protonok száma határozza meg. Az elektronok az atommagok körül keringenek, és olyanok, mint a homályos pályák az atommag körül. Az első rétegben legfeljebb két elektron van. Az ezt követő rétegek általában legfeljebb nyolcat tartalmaznak. A kovalens kötések úgy jönnek létre, hogy az atomok megosztják egymással a valenciaelektronokat.
Ha például egy atomnak kilenc elektronja van, az első kettő nagyon közel kering az atommaghoz, a következő hét pedig kicsit távolabb. A külső hét elektron kevésbé szorosan tart, mint a belső két elektron, mert távolabb vannak a pozitív töltésű atommagtól. Ha ez az atom közel kerül egy másik atomhoz, amelynek külső héjában egy lazán tartott elektron van, akkor a lazán tartott elektron számára egy új pálya válik elérhetővé. Ez az új elektronpálya mindkét atommaghoz kötődik, és alacsonyabb energiaszinttel rendelkezik, mint az eredeti elektronpálya. Az elektron spontán rá tud ugrani, és a többletenergiával fotont bocsát ki. Most már mindkét atom körül kering egy elektron, ami azt eredményezi, hogy az elektront adó atomnak kis nettó pozitív töltése van, a másik atomnak pedig kis nettó negatív töltése. A két atomot most a pozitív és negatív töltések közötti elektromágneses vonzóerő tartja össze. Ezt nevezzük kovalens kötésnek. Ennek a kötésnek a felbontásához ugyanannyi energiára van szükség, mint amennyi a kötés kialakulásakor felszabadult.
A vízmolekula egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll, amelyeket kovalens kötés tart össze. Ebben az esetben az oxigénatom egy-egy elektront oszt meg mindkét hidrogénatommal. Ez azt jelenti, hogy az oxigénatomnak kis nettó pozitív töltése van, a hidrogénatomnak pedig kis nettó negatív töltése. Ennek eredményeként az oxigén- és a hidrogénatomok az elektromágneses erő hatására vonzzák egymást. Emiatt a vízmolekula poláris molekula: töltése nem egyenletesen oszlik el.