När principkvantumtalet n är lika med 3 eller större kan vinkelkvantumtalet vara lika med 2. När vinkelkvantumtalet l=2 betraktas det som d-orbital. För d-orbital kan det magnetiska kvantantalet ml vara lika med -2 till 2, med de möjliga värdena -2, -1, 0, 1 eller 2. Detta ger upphov till fem d-orbitaler, dxy, dyz, dxz, dx2-y2 och dz2. De magnetiska kvantnumren korrelerar inte med en specifik orbital, utan orbitalerna är snarare en linjär kombination av de olika ml-värdena, i likhet med px- och py-orbitalerna. Den allmänna formen på d-orbitalerna kan beskrivas som ”daisy-liknande” eller ”fyrklöver” med undantag för dz2-orbitalet som ser ut som en donut med en lobe ovanför och nedanför. Alla d-orbitaler innehåller två vinkelknutpunkter. När det gäller dxy, dyz, dxz och dx2-y2 är de plana vinkelknutpunkter, som lätt kan ses som de axlar som delar orbitalernas lober i två delar. I dz2 är de koniska vinkelknutpunkter som delar den ”donutformade” delen av orbitalet med de övre och undre loberna. D-orbitalerna är viktiga i övergångsmetallerna eftersom de vanligtvis är de som används vid bindningar. Kristallfältsteorin, närmare bestämt Crystal Field Splitting, använder d-orbitalerna och deras degeneration för att beskriva spektroskopiska egenskaper hos övergångsmetallkomplex.