İki atom, valans kabuklarını tamamlamak için elektronları paylaştıklarında, kovalent bir bağ oluştururlar. Bir atomun elektronegatifliği —paylaşılan elektronların bir atoma doğru çekilmesini sağlayan kuvvet— elektronların nasıl paylaşılacağını belirler. Kovalent bağlarla oluşturulan moleküller polar veya nonpolar olabilir. Benzer elektronegatifliklere sahip atomlar polar olmayan kovalent bağlar oluşturur; elektronlar eşit olarak paylaşılır. Farklı elektronegatifliklere sahip atomlar, elektronları eşit olmayan bir şekilde paylaşarak polar bağlar oluşturur.
Bir atomun oluşturabileceği kovalent bağların sayısı, ne kadar valans elektronuna göre sahip olduğuyla belirlenir. Örneğin oksijen, sekiz olası valans elektronundan altısına sahiptir, yani her oksijen atomunun kararlı hale gelmesi için iki elektrona daha ihtiyacı vardır. Oksijen, iki hidrojen atomu (kimyasal formülü H2O) ile su oluştururken yaptığı gibi, diğer iki atomla tek bağlar oluşturabilir. Oksijen ayrıca, oktetini tamamlamak için iki elektrona daha ihtiyaç duyan yalnızca bir başka atomla çift bağ oluşturabilir (örneğin, başka bir oksijen atomu). Karbonun dört valans elektronu vardır ve bu nedenle metanda (CH4) olduğu gibi dört kovalent bağ oluşturabilir.
Kovalent bir bağ yapıldığında, her iki atom da, şekli normal bir yörüngeden farklı olan bir hibrit yörüngede bir çift elektron paylaşır. Böylece bağa katılan elektronlar, her iki atomun çekirdeği etrafında değiştirilmiş bir yörüngede dolaşırlar. Kovalent bağlar güçlüdür ve bir kez oluştuktan sonra fiziksel güçler tarafından kırılamaz.
Elektronegatiflik, bir atomun bir bağdaki elektronları çekme eğilimidir. En elektronegatif atom flordur. Periyodik tablonun sağ üst köşesindeki flor ile başlayarak (en sağdaki sütundaki soy gazları ihmal ederek), atomların elektronegatifliği, en düşük elektronegatifliğe sahip atomlar sol alt köşede olacak şekilde (örneğin, fransiyum veya Fr) periyodik tablodan diyagonal olarak sol aşağıya doğru hareketle azalma eğilimindedir. Atomlar oldukça farklı elektronegatifliklere sahiplerse, kovalent bağlar yerine iyonları oluşturmaları mümkündür. Bununla birlikte, birbirleriyle kovalent bağ oluşturan atomlar için elektronegatiflik değerleri, bağın polar olup olmayacağını belirler.
Polar olmayan bir bağ, elektronların eşit olarak paylaşıldığı ve molekül boyunca yükün olmadığı bağdır. Aksine, bir polar bağ, bir atom diğerinden daha elektronegatif olduğunda ve elektronları ona doğru çektiğinde oluşur. Polar bağların bir tarafında kısmi bir negatif yük diğer tarafında ise kısmi bir pozitif yük vardır, bu önemlidir çünkü polar moleküllerin polar olmayanlardan farklı davranmasına neden olur.
Polar moleküller hidrofiliktir çünkü kısmi yükleri onları diğer yüklü moleküllere çeker, bu da suda çözünür oldukları anlamına gelir. Nonpolar moleküllerin —yağlar gibi uzun hidrokarbon uzantıları içerenler— hidrofobik olduğu söylenir. Polar moleküllerin aksine, nonpolar moleküller suda çözünmez. Hücreler genellikle sıvıyla çevrilidir ve su içeren sitoplazmalara sahiptir. Dolayısıyla, bir molekülün su ve diğer yüklü moleküller ile etkileşime girme şekli, hücreler tarafından nasıl taşındığını ve kullanıldığını etkiler.
