Une fois que le nombre quantique de principe n est égal à 3 ou plus, le nombre quantique angulaire peut être égal à 2. Lorsque le nombre quantique angulaire l=2, il est considéré comme l’orbitale d. Pour l’orbitale d, le nombre quantique magnétique ml peut être compris entre -2 et 2, avec les valeurs possibles -2, -1, 0, 1 ou 2. Cela donne lieu à cinq orbitales d, dxy, dyz, dxz, dx2-y2 et dz2. Les nombres quantiques magnétiques ne sont pas corrélés à une orbitale spécifique, mais les orbitales sont plutôt une combinaison linéaire des différentes valeurs ml, similaire à celle des orbitales px et py. La forme générale des orbitales d peut être décrite comme une « marguerite » ou un « trèfle à quatre feuilles », à l’exception de l’orbitale dz2 qui ressemble à un beignet avec un lobe au-dessus et en dessous. Toutes les orbitales d contiennent 2 nœuds angulaires. Dans le cas de dxy, dyz, dxz et dx2-y2, il s’agit de nœuds angulaires plans, facilement visibles comme les axes qui coupent en deux les lobes des orbitales. Dans dz2, ce sont des nœuds angulaires coniques qui divisent la partie « beignet » de l’orbitale avec les lobes supérieur et inférieur. Les orbitales d sont importantes dans les métaux de transition car elles sont généralement utilisées pour la liaison. La théorie du champ cristallin, plus précisément la division du champ cristallin, utilise les orbitales d et leur dégénérescence pour décrire les propriétés spectroscopiques des complexes des métaux de transition.