Một orbital phân tử (MO) có thể được sử dụng để biểu diễn các vùng trong một phân tử nơi một điện tử chiếm được orbital đó có thể sẽ được tìm thấy. Orbital phân tử thu được từ sự kết hợp của orbital nguyên tử, mà nó dự đoán vị trí của một điện tử trong nguyên tử. Một orbital phân tử có thể xác định cấu hình electron của một phân tử: sự phân bố không gian và năng lượng của một (hoặc một cặp) electron. Thông thường orbital phân tử được thể hiện như một tổ hợp tuyến tính các quỹ đạo nguyên tử (phương pháp LCAO-MO), đặc biệt là trong việc sử dụng định tính hoặc xấp xỉ gần. Chúng rất có giá trị trong việc cho ra một mô hình đơn giản của liên kết trong các phân tử, được hiểu qua lý thuyết orbital phân tử.

Hầu hết các phương pháp ngày nay trong Hóa học tính toán bắt đầu bằng cách tính các orbital phân tử của hệ thống. Một orbital phân tử mô tả hành vi của một điện tử trong trường điện tạo ra bởi các hạt nhân và một số phân bố trung bình của các electron khác. Trong trường hợp có hai điện tử chiếm cùng một orbital, nguyên lý Pauli đòi hỏi chúng phải có spin ngược nhau. Điều này là cần thiết, và các mô tả chính xác cao về hàm sóng điện tử phân tử không có orbital (xem tương tác cấu hình).