Gdy zasadnicza liczba kwantowa n jest równa 3 lub większa, kątowa liczba kwantowa może być równa 2. Kiedy kątowa liczba kwantowa l=2, to jest uważane za d-orbital. Dla d-orbitalu, magnetyczna liczba kwantowa ml może być równa -2 do 2, przyjmując możliwe wartości -2, -1, 0, 1, lub 2. Daje to pięć orbitali d: dxy, dyz, dxz, dx2-y2 i dz2. Magnetyczne liczby kwantowe nie są skorelowane z konkretnym orbitalem, raczej orbitale są liniową kombinacją różnych wartości ml, podobnie jak w przypadku orbitali px i py. Ogólny kształt orbitali d może być opisany jako „stokrotka” lub „czterolistna koniczyna” z wyjątkiem orbitali dz2, które wyglądają jak pączek z płatem powyżej i poniżej. Wszystkie d-orbitale zawierają 2 węzły kątowe. W przypadku dxy, dyz, dxz i dx2-y2 są to planarne węzły kątowe, łatwo widoczne jako osie, które przecinają płaty orbitali. W dz2 są to stożkowe węzły kątowe, które dzielą „pączkową” część orbitalu na górny i dolny płat. Orbitale d są ważne w metalach przejściowych, ponieważ są one zazwyczaj używane w wiązaniu. Teoria Pola Kryształowego, a dokładniej Podział Pola Kryształowego, wykorzystuje d-orbitale i ich degenerację do opisu właściwości spektroskopowych kompleksów metali przejściowych.