S'anomena orbital molecular, simbolitzat ,[1] a cadascuna de les funcions d'ona, solució de l'equació de Schrödinger, associades a un electró que forma part d'una molècula. El seu valor al quadrat, , representa la probabilitat de trobar l'electró en els diferents punts de l'espai que envolten una molècula.
Els orbitals moleculars presenten les mateixes característiques matemàtiques que els orbitals atòmics. Són de natura policèntrica i constitueixen en ells mateixos una interpretació de l'enllaç químic. La descripció de l'estructura molecular mitjançant l'ús d'orbitals moleculars és coneguda com a teoria dels orbitals moleculars, i consisteix a considerar inicialment la molècula com un conjunt de nuclis amb ordenació pròpia, determinar els diversos orbitals de nuclis i omplir els orbitals multicèntrics així obtinguts amb els electrons de la molècula, mitjançant un procediment anàleg al seguit per a establir la configuració electrònica dels elements. Atesa la impossibilitat de resolució analítica de l'equació de Schrödinger per a sistemes amb més d'un electró, és necessari l'ús de mètodes aproximats per a l'obtenció d'orbitals moleculars. El més emprat d'aquests mètodes és el de Combinació Lineal d'Orbitals Atòmics, LCAO (Linear Combination of Atomic Orbitals), que considera l'orbital molecular com a combinació lineal d'orbitals atòmics dels àtoms constituents de la molècula.[2]