Pokud je principiální kvantové číslo n rovno 3 nebo větší, může být úhlové kvantové číslo rovno 2. Když je úhlové kvantové číslo l = 2, považuje se za d-orbital. Pro d-orbital může být magnetické kvantové číslo ml rovno -2 až 2, přičemž může nabývat hodnot -2, -1, 0, 1 nebo 2. Vzniká tak pět d-orbitálů, dxy, dyz, dxz, dx2-y2 a dz2. Magnetická kvantová čísla nekorelují s konkrétním orbitalem, orbitaly jsou spíše lineární kombinací různých hodnot ml, podobně jako u orbitalů px a py. Obecný tvar d-orbitálů lze popsat jako „sedmikráska“ nebo „čtyřlístek“ s výjimkou orbitalu dz2, který vypadá jako kobliha s lalokem nahoře a dole. Všechny d-orbitaly obsahují 2 úhlové uzly. V případě dxy, dyz, dxz a dx2-y2 jsou to rovinné úhlové uzly, které lze snadno vidět jako osy, které protínají laloky orbitalů. V případě dz2 se jedná o kuželové úhlové uzly, které rozdělují „koblihovou“ část orbitalu s horním a dolním lalokem. D-orbitaly jsou u přechodných kovů důležité, protože se obvykle používají ve vazbě. Teorie krystalového pole, přesněji řečeno rozdělení krystalového pole, využívá d-orbitaly a jejich degeneraci k popisu spektroskopických vlastností komplexů přechodných kovů.