Damit zwei Atome eine Bindung eingehen können, müssen die Orbitale mit den Valenzelektronen auf dieselbe Energiestufe gebracht werden. Um dies zu ermöglichen, gleichen sich s- und p-Orbitale energetisch an und hybridisieren.

Im Abitur ist hierbei das Beschreiben von Hybridisierungszuständen in Kohlenstoffverbindungen eine häufig gestellte Frage. Hybridisierungen finden zwischen den s- und den p-Orbitalen statt. Je nach Bindungssituation vermischen sich unterschiedlich viele p-Orbitale mit einem s-Orbital.

Freie Elektronenpaare besetzen bei der Hybridisierung ein ganzes Orbital entsprechend mit zwei Elektronen, was später am Beispiel des Sauerstoffs nochmal verdeutlicht werden soll.

Gleichen sich ein s-Orbital und drei p-Orbitale an, erhält man vier sp³-Orbitale. Dabei bezieht sich die hochgestellte "3" auf die Anzahl der hybridisierten p-Orbitale. Es gilt grundsätzlich, dass bei einer Hybridisierung immer genau so viele Hybridorbitale entstehen, wie ursprünglich angeglichen wurden. Dabei verändern die Orbitale bei der Hybridisierung ihre räumliche Form und ordnen sich im Raum tetraedrisch an (Bindungswinkel 109,5°). Beispiele für sp³-hybridisierte Atomgruppen sind Methylgruppen oder -CH₂-Gruppen in Kohlenstoffketten und das Methan-Molekül.

Wenn ein s-Orbital mit zwei p-Orbitalen hybridisiert, dann erhält man drei sp²-Orbitale. Ein p-Orbital verbleibt in der Form und dem Energieniveau unverändert. Die sp²-Orbitale ordnen sich trigonal-planar an (in einem 120° Winkel), das übrig gebliebene p-Orbital steht senkrecht zu ihnen. Mit dem p-Orbital und einem der sp²-Orbitale ist es nun möglich Doppelbindungen auszubilden. Typische sp²-hybridisierte Kohlenstoffatome sind in C-C-Doppelbindungen oder Carbonylverbindungen zu finden.

Wenn nur ein p-Orbital mit einem s-Orbital vermischt wird, kommt es zur Bildung von zwei sp-Orbitalen. Die zwei übrig gebliebenen p-Orbitale bleiben unverändert. Die sp-Orbitale stehen linear zueinander, während die p-Orbitale jeweils in einem rechten Winkel zur Bindungsebene stehen. Sp-Hybridorbitale sind recht selten und kommen ausschließlich in Dreifachbindungen vor.