Een covalente binding is een chemische verbinding tussen twee niet-metaalatomen. Een voorbeeld is water, waar waterstof (H) en zuurstof (O) een verbinding aangaan om (H2O) te maken. Een volledige buitenste schil heeft gewoonlijk acht elektronen, of twee in het geval van waterstof of helium. Valentie-elektronen zijn de elektronen die relatief losjes in de buitenste schil van het atoom worden vastgehouden. De structuur van elektronenschillen wordt bepaald door de kwantummechanica.)
Het aantal elektronen in een atoom wordt bepaald door het aantal protonen in het atoom. Elektronen cirkelen om atoomkernen, en ze zijn als vage banen rond een atoomkern. De eerste laag heeft maximaal twee elektronen. De lagen daarna bevatten er meestal tot acht. Covalente bindingen worden gevormd door atomen die valentie-elektronen delen.
Als een atoom bijvoorbeeld negen elektronen heeft, draaien de eerste twee heel dicht om de kern heen, de volgende zeven draaien iets verder weg. De buitenste zeven elektronen worden minder stevig vastgehouden dan de binnenste twee elektronen, omdat zij verder van de positief geladen kern verwijderd zijn. Als dit atoom in de buurt komt van een ander atoom, met een los elektron in zijn buitenste schil, komt er een nieuwe baan vrij voor het losse elektron. Deze nieuwe elektronbaan is gebonden aan beide atoomkernen en heeft een lager energieniveau dan de oorspronkelijke elektronbaan. Het elektron kan er spontaan naartoe springen en met de overtollige energie een foton uitzenden. Nu draait een elektron om beide atomen, waardoor het atoom dat het elektron leverde een kleine netto positieve lading heeft en het andere atoom een kleine netto negatieve lading. De twee atomen worden nu bij elkaar gehouden door de elektromagnetische aantrekkingskracht tussen positieve en negatieve ladingen. Dit wordt een covalente binding genoemd. Om deze binding te verbreken is evenveel energie nodig als er vrijkwam toen de binding werd gevormd.
Een watermolecuul bestaat uit een zuurstofatoom en twee waterstofatomen die door een covalente binding bij elkaar worden gehouden. In dit geval deelt het zuurstofatoom één elektron met elk waterstofatoom. Dit betekent dat het zuurstofatoom een kleine netto positieve lading heeft en het waterstofatoom een kleine netto negatieve lading. Als gevolg hiervan worden de zuurstof- en waterstofatomen door de elektromagnetische kracht tot elkaar aangetrokken. Hierdoor is het watermolecuul een polair molecuul: zijn lading is niet gelijkmatig verdeeld.