L'ibridazione è un fenomeno chimico per cui orbitali atomici di forma diversa si combinano linearmente per creare un numero identico di nuovi orbitali, tutti uguali fra loro per forma ed energia, ma diversi da ciascuno degli orbitali di partenza: per questa loro caratteristica, i nuovi orbitali sono detti ibridi. Il concetto di ibridazione è alla base della chimica organica in quanto il carbonio risulta ibridizzato in tutti i suoi composti. Esistono diversi tipi di ibridazione, a seconda del numero e del tipo di orbitali coinvolti. I più semplici riguardano solo gli orbitali di tipo s e di tipo p.

L'ibridazione sp si ottiene quando un orbitale di tipo s si combina linearmente con un solo orbitale di tipo p a dare due orbitali ibridi detti, appunto, di tipo sp. I due nuovi orbitali si dispongono nello spazio in modo che i loro assi si trovino su una retta e formino un angolo di 180°. Esempi di questo tipo di ibridazione sono le molecole quali CO₂, BeCl₂.

Nell'ibridazione sp2 un orbitale di tipo s si combina linearmente con due orbitali di tipo p. Ne risultano tre orbitali ibridi, detti di tipo sp2, che giacciono sullo stesso piano in modo che i loro assi formino tra loro angoli di 120°. Un esempio è la molecola del benzene (C₆H₆), di forma esagonale, che è il più semplice dei composti organici aromatici. Tutti i legami carbonio-carbonio nel benzene sono equivalenti e hanno una lunghezza (e una energia) interme dia tra quella di un legame semplice e quella di un legame doppio (~1,39 Å). Ogni atomo di carbonio ha ibridazione sp2 e quindi una struttura planare triangolare con angoli di legame di 120°. I rimanenti orbitali p di ogni atomo di carbonio (contenenti un elettrone ciascuno) sono perpendicolari al piano e paralleli fra loro. Ciò permette il fenomeno della delocalizzazione degli elettroni, così che la molecola può essere rappresentata con una nuvola elettronica estesa sopra e sotto al piano individuato dagli atomi di carbonio. L'ibridazione sp2 degli orbitali del carbonio è anche la base della grafite, un solido cristallino formato da soli atomi di carbonio collocati in lamelle esagonali planari con angoli di legame di 120° tra atomi.

Si parla invece di ibridazione sp3 quando un orbitale di tipo s si combina linearmente con tre orbitali di tipo p. In tal caso si ottengono quattro orbitali ibridi sp3 i cui assi sono diretti ai vertici di un tetraedro regolare formando tra loro angoli di 109°. Un esempio di questo tipo di ibridazione si trova nell'atomo di carbonio della molecola di tetracloruro di carbonio, CCl4. Nei solidi cristallini il miglior esempio di ibridazione sp3 si ha nel diamante. Anche le strutture di NH₃ e H₂O sono interpretabili con una ibridazione sp3 anche se distorta, benché creino, poi, solo 3 o 2 legami: infatti anche i doppietti liberi assumono circa una disposizione tetraedrica rispetto ai legami molecolari.