Wenn die Hauptquantenzahl n gleich 3 oder größer ist, kann die Winkelquantenzahl 2 sein. Wenn die Winkelquantenzahl l=2 ist, wird es als d-Orbital betrachtet. Für das d-Orbital kann die magnetische Quantenzahl ml gleich -2 bis 2 sein, wobei die möglichen Werte -2, -1, 0, 1 oder 2 sind. Dies führt zu fünf d-Orbitalen, dxy, dyz, dxz, dx2-y2 und dz2. Die magnetischen Quantenzahlen korrelieren nicht mit einem bestimmten Orbital, sondern die Orbitale sind eine lineare Kombination der verschiedenen ml-Werte, ähnlich wie bei den px- und py-Orbitalen. Die allgemeine Form der d-Orbitale kann als „gänseblümchenartig“ oder „vierblättriges Kleeblatt“ beschrieben werden, mit Ausnahme des dz2-Orbitals, das wie ein Donut mit einem Lappen oben und unten aussieht. Alle d-Orbitale enthalten 2 Winkelknoten. Im Falle von dxy, dyz, dxz und dx2-y2 handelt es sich um ebene Winkelknoten, die leicht als die Achsen zu erkennen sind, die die Lappen der Orbitale halbieren. Bei dz2 handelt es sich um konische Winkelknoten, die den „Donut“-Teil des Orbitals in einen oberen und einen unteren Lappen unterteilen. Die d-Orbitale sind bei den Übergangsmetallen wichtig, da sie in der Regel für die Bindungen verwendet werden. Die Kristallfeldtheorie, genauer gesagt die Kristallfeldaufspaltung, nutzt die d-Orbitale und ihre Entartung zur Beschreibung der spektroskopischen Eigenschaften von Übergangsmetallkomplexen.