電子運動沒有固定軌道，但可根據電子能量高低，用統計方法判斷其在核外空間某一區域內出現的機率的大小。能量低的，通常在離核近的區域運動；能量高的，通常在離核遠的區域運動。
原子中乙個電子的空間位置和能量可用四個量子數來決定：
主量子數\(n\)，表示電子所處電子殼層，依次命名為 \(k, l, m, n\).
軌道角動量量子數 \(l\)，給出電子在同一量子殼層內所處的能級。
磁量子數 \(m\)，給出每個軌道角動量量子數的能級數或軌道數。其決定電子雲的空間取向，總數為 \(2l + 1\)。
自旋角動量量子數 \(s\)，反映電子不同的自旋方向。
在多電子的原子中，核外電子的排布規律遵循以下三個原則：
能量最低原理，電子總是先佔據能量最低的殼層，即核外電子排滿了 \(k\) 層才排 \(l\) 層，排滿了 \(l\) 層才排 \(m\) 層。
泡利不相容原理，在乙個原子中不可能有運動狀態完全相同的兩個電子，因此主量子數為 \(n\) 的殼層，最多容納 \(2n^2\) 個電子。
洪德定則，在同一亞層的各個能級中，電子的排布盡可能分佔不同的能級，而且自旋方向相同。當電子排布為全充滿，半充滿或全空時，是比較穩定的，整個原子的能量最低。
結合鍵可分為化學鍵和物理鍵兩大類。化學鍵即主價鍵，包括金屬鍵、離子鍵和共價鍵；物理鍵即次價鍵，也稱范德瓦爾斯力。
由金屬中的自由電子與金屬正離子相互作用所構成的鍵合稱為金屬鍵。當金屬受力變形而改變原子之間的相互位置時不至於破壞金屬鍵，因此這使得金屬具有良好延展性。並且由於自由電子存在，金屬一般具有良好的導電和導熱性。
大多數鹽類、鹼類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結合。實質是金屬原子將自己的價電子給予非金屬原子，使它們分別變為正離子和負離子，正負離子通過它們之間的靜電引力結合在一起。離子鍵無方向性和飽和性。一般離子晶體中正負離子靜電引力較強，結合牢固，因此其熔點和硬度均較高，其次在離子晶體中很難產生自由運動的電子，因此它們都是良好絕緣體。在高溫熔融狀態時，正負離子在外電場作用下可以自由運動，此時呈現離子導電性。
共價鍵是由兩個或多個電負性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學鍵。根據共用電子對在兩成鍵原子之間是否偏離或偏近某乙個原子，共價鍵又分成非極性鍵和極性鍵兩種。共價鍵的結合極為牢固，故共價晶體具有結構穩定、熔點高、質硬脆等特點。由於束縛在相鄰原子間的「共用電子對」不能自由運動，共價結合形成的材料一般都是絕緣體，其導電能力差。共價鍵具有方向性和飽和性。
范德瓦爾斯力屬於物理鍵，系一種次價鍵，沒有方向性和飽和性。它普遍存在於各種分子之間，對物質的性質，如熔點、沸點、溶解度的影響很大，通常它的鍵能比化學鍵的小1~2個數量級，遠不如化學鍵結合牢固。
氫鍵是一種極性分子鍵，由於氫原子核外僅有乙個電子，在這些分子中氫的唯一電子已被其他原子所共有，故結合的氫端就裸露出帶正電荷的原子核。這樣它將與鄰近分子的負端相互吸引，即構成中間橋梁，故又稱氫橋。氫鍵具有飽和性和方向性。
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