随着物理学量子力学的发展，1927年Heitler和London用量子力学来处理H原子形成H2分子的过程，他们得到了H2分子能量(E)与两个H原子核间距(r)的关系曲线。当A和B相接近时(即r值减小时)，H2分子体系能量降低，这是因为A原子的核外电子不仅受到A原子核的吸引力，也受到了B原子核的吸引，同理B的电子既受B原子核的吸引，也受A原子核的吸引，也可以说是两个原子轨道发生了重叠，两核之间的电子云密度增大，体系能量降低。当r=74pm时，能量为最低值，r更小时，则因两核之间库仑斥力增大，能量反而升高。即两核间距离为74pm时，形成了稳定的H2分子，这和实验测定值相符。若A和B的电子自旋方向平行，E-r曲线就不同了。核间距r越小，能量越高，表示两个自旋方向相同的氢原子不能形成H2分子。总之，价键理论继承了Lewis共用电子对的概念，但从量子力学的角度指出成键电子必须自旋相反，并且认为共价键的本质是两个原子有自旋方向相反的未成对电子，它们的原子轨道发生了重叠，使体系能量降低而成键。
按照价键理论，共价键具有饱和性和方向性。各原子都有确定的不成对电子，所以它的共价键数是一定的。如H和Cl都是1价，O和S是2价，N是3价，C是4价等。按此推理，不同原子形成共价化合物时均有确定的原子比，如可以有HCl，H2S，NH3和CH4等共价化合物，但不可能有HCl2或H4S分子，这就是共价键的饱和性。另外，电子运动状态在空间分布是有一定取向的，原子轨道的重叠也是有一定取向的，如N原子核外有3个未成电子，其取向分别为px，py，pz。N2分子中的三对电子并不在同一个平面上，而是在x，y，z三个互相垂直的方向。这就是所谓的共价键的方向性。共价键的饱和性和方向性是和离子键相比较而言，离子化合物中正负离子都为s2p6结构，其电荷分布呈球形对称，所以它们可以从各个方向互相接触，并且尽可能多地和异性离子相接触(配位)，配位数的多少决定于正负离子的大小。对离子化合物而言，无所谓成键的方向性，而要考虑离子密堆积和空间利用率。NaCl中，Cl-既然没有固定的配位数，也无所谓饱和性。
许多共价化合物如H2O，HCl，NH3，CH4等不论在气态、液态或固态都以独立的分子形式存在，所以在状态变化时，不涉及化学键的变化，只是分子间作用力发生变化。它们和离子化合物相比，熔点、沸点就低得多，在液态时也没有带电的微粒，所以不导电，这类物质属分子型共价化合物。也有分子型的共价单质，如碘(I2)、磷(P4)和硫(S8)的单质都是多原子分子，原子间有共价键，它们熔点、沸点也不高。
有些共价化合物是原子型的，如优质磨料金刚砂，它的化学式是碳化硅(SiC)，其结构和金刚石相似。其中一半C的位置为Si所取代，即每一个C原子以四面体向与4个Si原子相连。同样，每个Si原子也以四面体向与4个C原子相连，形成了C和Si相间的巨分子。这类原子型共价化合物和分子型共价化合物不同，它们的熔点很高，硬度也很大。因为要使它发生状态变化，将涉及Si和C之间的共价键的断裂，这是很不容易的。