Очень наглядное представление о химической связи даёт квантовая механика. Эта наука позволяет с вы­сокой точностью рассчитать рас­пределение электронов в молекуле. Функцию, которая описывает вероят­ность нахождения электронов в лю­бой точке молекулы, называют элек­тронной плотностью. Её измеряют в долях единицы, а для её изображе­ния обычно используют поверхно­сти равной плотности, т. е. выбира­ют какое-либо значение, например 0,002 или 0,08, и показывают все точки в пространстве, в которых электронная плотность принимает это значение (трёхмерное изображе­ние). Есть и другой способ — выбрать какую-либо плоскость (сечение) и рассматривать значения электрон­ной плотности только в этой плоско­сти (контурная карта).

Чем же хороша электронная плот­ность? Во-первых, она позволяет изо­бразить так называемое электрон­ное облако молекулы. Поверхность с электронной плотностью 0,002 обыч­но сосредотачивает в себе больше 98% всей электронной плотности, поэтому она отражает размеры и форму электронного облака.

Поверхности равной электронной плотности молекулы этилена С₂Н₄: 1 — 0,002; 2 — 0,2;  3 — 0,36.

Во-вторых, карты электронной плотности отражают изменение рас­пределения электронов при образо­вании химической связи из атомов. Чтобы составить такую карту, находят разность электронных плотностей молекулы и свободных атомов. В тех местах, где разность положительна, и концентрируется химическая связь.

В-третьих, распределение элек­тронной плотности показывает, к ка­кому из атомов смещены электроны химической связи. Рассмотрим по­верхности равной плотности в трёх молекулах, содержащих атомы водо­рода: LiH, Н₂, HF. Поверхности с уров­нем 0,002 свидетельствуют о том, что в молекуле LiH электроны смещены к атому водорода, в молекуле Н₂ элек­тронная плотность поделена между атомами поровну, а в молекуле HF она смещена к фтору. Если взять больший уровень плотности, напри­мер 0,08, то можно видеть, что в молекуле LiH между атомами элек­тронной плотности почти нет, она полностью смещена к атому водоро­да. Такую связь называют ионной. В молекулах Н₂ и HF электронная плотность в основном находится меж­ду атомами, что соответствует ковалентной связи, причём в Н₂ эта связь симметричная (неполярная), а в HF — несимметричная (полярная).

Наконец, форма уровней элек­тронной плотности даёт представле­ние о геометрии молекул, которое до­полняет информацию, полученную из структурных формул.