我们已经讨论了通过强静电引力将离子结合成化合物的过程。然而，并不是所有的化合物都包含离子。有一些化合物以分子的形式存在，其中的原子紧密结合在一起。这种将原子结合在一起的键称为共用电子对键或共价键。
最简单的以共价键结合的物质是氢分子H2。每个氢原子在其1s层中有一个电子。两个氢原子共享来自两个原子的两个电子（一个电子对），这两个电子同时被两个原子核所吸引并起到将两个核结合在一起的作用。这种键非常强，因为断开这个键需要大量的能量（约104千卡/摩）。反过来说，当氢原子结合成1摩尔氢分子时会释放出这么多的能量。
显然，氢分子中的键不可能是由电子转移造成的，因为两个氢原子具有相同的电离势和电子亲合势。因此，当两个原子通过共享一对电子结合成共价分子时，这种倾向同样起作用。当我们将共价键的两个电子都归属于每个氢原子时，每个原子都具有稳定的氢原子的电子排布。在氢分子H2中，每个氢原子的1s轨道实际上都被共享电子对的两个电子所占据。电子对在整个分子中的分布是均匀的。图4-3具体说明了氢分子中的电荷分布。图中深色部分表示负电荷的强度，即在给定区域中找到电子对的相对几率。在第5章中我们将进一步发现，当两个氢原子结合成一个氢分子时，电子对进入了由两个原子轨道组成的分子轨道中。
氯分子Cl2中的键提供了共价键的另一个例子。每个氯原子在其外层电子中有7个电子，与惰性气体氩的电子构型相比只差一个电子。在氯分子中，两个原子共享了一对电子，从而使每个原子都具有与氩原子相同的稳定电子结构。
在F2、Br2、I2和At2分子（与Cl2属于同一族）中的键和氯分子中的键是相同的，但形成的电子结构与其他惰性气体结构相同。
有许多原子为了使其外层电子层达到完整的8电子结构，需要共享不止一对电子。例如，氮分子N2中的原子共享了3对电子，这样每个氮原子的外层电子层就有了8个电子。
我们可以说在N2分子中，两个原子是通过一个三键结合在一起的。
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