Un orbital atómico (OA) es una función de onda monoelectrónica ϕ{\displaystyle \phi } que, por lo tanto, describe el comportamiento de un único electrón en el contexto de un átomo.[1]​ Se obtiene en el marco de la Mecánica Cuántica aplicada al tratamiento de átomos (junto a la teoría atómica, constituye una de las bases de la Química Cuántica[2]​) y corresponde a una determinada solución particular espacial de la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para el caso de un electrón sometido al potencial coulombiano generado por el núcleo atómico (y los restantes electrones en átomos poli-electrónicos). La ecuación de Schrödinger que describe el comportamiento de un electrón en un átomo, tiene solución exacta únicamente para el caso del átomo de hidrógeno (extensible a iones atómicos a los que se les extraen todos los electrones menos uno, identificados como "átomos hidrogenoides"). El concepto de orbital atómico aplicado a un electrón en un átomo poli-electrónico es una aproximación, que se obtiene tras desacoplar el movimiento de cada par de electrones y tratarlos como si cada uno se moviera en un campo electrostático promedio (aproximación de Hartree-Fock). 
En todos los casos el orbital atómico espacial queda definido por tres números cuánticos, que aparecen naturalmente en la solución general de la ecuación de Schrödinger atómica Hϕn,l,m=Enϕn,l,m{\displaystyle {\mathcal {H}}\phi _{n,l,m}=E_{n}\phi _{n,l,m}} y señalan unívocamente a un estado electrónico específico.  Esos tres números cuánticos hacen referencia a la energía total del electrón (n{\displaystyle n}, número cuántico principal), al módulo del momento angular orbital L→{\displaystyle {\vec {L}}} (l{\displaystyle {\mathcal {l}}}, número cuántico de momento angular orbital) y al módulo de su proyección Lz→{\displaystyle {\vec {L_{z}}}} (ml{\displaystyle m_{l}}, número cuántico magnético) sobre el eje z del sistema de referencia externo (laboratorio).
Como toda función de onda en mecánica cuántica, el orbital atómico ϕ{\displaystyle \phi } carece por sí mismo de significado físico, pero según la interpretación de Born, su módulo al cuadrado (∣ϕ∣2=ϕ∗.ϕ{\displaystyle \mid {\displaystyle \phi }\mid ^{2}={\displaystyle \phi }^{*}.{\displaystyle \phi }}) representa la densidad de probabilidad de hallar a ese electrón en cada punto del espacio (o más brevemente, una densidad electrónica) y permite calcular la probabilidad de encontrarlo en un cierto volumen del átomo. 
La superposición de todas las densidades electrónicas asociadas a cada uno de los distintos orbitales atómicos, de simetría esférica centrada en el núcleo atómico, da lugar a la corteza electrónica, representada por el modelo de capas, el cual se ajusta a cada elemento químico según la configuración electrónica correspondiente.