Kun periaatekvanttiluku n on 3 tai suurempi, kulmakvanttiluku voi olla 2. Kun kulmakvanttiluku l=2, sitä pidetään d-orbitaalina. D-orbitaalille magneettinen kvanttiluku ml voi olla -2-2, jolloin mahdolliset arvot ovat -2, -1, 0, 1 tai 2. Näin syntyy viisi d-orbitaalia, dxy, dyz, dxz, dx2-y2 ja dz2. Magneettiset kvanttiluvut eivät korreloi tietyn orbitaalin kanssa, vaan orbitaalit ovat eri ml-arvojen lineaarinen yhdistelmä, kuten px- ja py-orbitaalit. D-orbitaalien yleistä muotoa voidaan kuvata ”päivänkakkaramaiseksi” tai ”nelilehtiseksi apilaksi” lukuun ottamatta dz2-orbitaalia, joka näyttää donitsilta, jonka ylä- ja alapuolella on lohko. Kaikissa d-orbitaaleissa on 2 kulmasolmua. Orbitaalien dxy, dyz, dxz ja dx2-y2 tapauksessa ne ovat tasomaisia kulmasolmuja, jotka on helppo nähdä akseleina, jotka puolittavat orbitaalien lohkot. dz2:ssa ne ovat kartiomaisia kulmasolmuja, jotka jakavat orbitaalin ”donitsi”-osan ylä- ja alalohkoihin. d-orbitaalit ovat tärkeitä siirtymämetalleissa, koska niitä käytetään tyypillisesti sidoksissa. Kristallikenttäteoria, tarkemmin sanottuna kristallikentän jakautuminen, käyttää d-orbitaaleja ja niiden degeneraatiota siirtymämetallikompleksien spektroskooppisten ominaisuuksien kuvaamiseen.