Når principkvantetallet n er lig med 3 eller derover, kan vinkelkvantetallet være lig med 2. Når vinkelkvantetal l=2, betragtes det som d-orbital. For d-orbital kan det magnetiske kvantetal ml være lig med -2 til 2, med de mulige værdier -2, -1, 0, 1 eller 2. Dette giver anledning til fem d-orbitaler, dxy, dyz, dxz, dx2-y2 og dz2. De magnetiske kvantetal korrelerer ikke med en specifik orbital, men orbitalerne er snarere en lineær kombination af de forskellige ml-værdier, svarende til px- og py-orbitalerne. Den generelle form af d-orbitalerne kan beskrives som “daisy-lignende” eller “firebladet kløver” med undtagelse af dz2-orbitalet, der ligner en donut med en lobe over og under. Alle d-orbitalerne indeholder 2 vinkelknuder. I tilfælde af dxy, dyz, dxz og dx2-y2 er det plane vinkelknuder, der let kan ses som de akser, der skærer orbitalernes lapper i to dele. I dz2 er de koniske vinkelknudepunkter, som deler orbitalens “donut”-del med den øverste og nederste lobe. D-orbitalerne er vigtige i overgangsmetallerne, fordi det typisk er dem, der anvendes i bindinger. Krystalfeltteorien, mere specifikt Crystal Field Splitting, bruger d-orbitalerne og deres degeneration til at beskrive spektroskopiske egenskaber ved overgangsmetalkomplekser.