Jokaista mahdollista elektronin energiatilaa vastaa tietty elektronin sijainnin todennäköisyysjakauma. Kuten energiatilat, myös todennäköisyysjakaumien muodot saadaan ratkaistua Schrödingerin yhtälöstä. Vetyatomille ratkaisut ovat tarkkoja ja monielektroniatomeille yleensä approksimaatioita. Alueita, joissa elektroni jakauman perusteella todennäköisimmin on, kutsutaan orbitaaleiksi. Kuten energiatiloja, myös orbitaaleja on vain muutama mahdollinen. Kvanttiluvuilla voidaan kuvata, millä orbitaalilla elektroni on. Elektronin tila määräytyy neljän kvanttiluvun kautta.

Pääkvanttiluku [[$n$]] kuvaa, kuinka kaukana atomiytimestä elektroni keskimäärin sijaitsee. Mitä suurempi pääkvanttiluku on, sitä kauemmas todennäköisyysjakauma on keskittynyt. Pääkvanttiluku voi saada arvokseen mitä tahansa positiivisia kokonaislukuja (1, 2, 3, ...). Arvoille käytetään joskus myös tunnuksia K, L, M, N, ... ja pääkvanttiluvusta usein myös nimitystä päätaso.

Vetyatomin tapauksessa pelkkä pääkvanttiluku määrää elektronin energiatilan lähes täsmälleen. Energiatasokaavassa

[[$\qquad E_n=-\dfrac{1}{n^2}\dfrac{m_\text{e}e^4}{8\epsilon_0^2h^2}$]]

ei ole muita kvanttilukuja kuin pääkvanttiluku [[$n$]]. Tästä johtuen vedyn energiatasokaavio ja emissiospektri ovat hyvin yksinkertaiset. Tarkoissa mittauksissa on havaittu muista kvanttiluvuista johtuvia hyvin pieniä korjauksia energiatasoihin.

Sivukvanttiluku [[$\ell$]] kertoo orbitaalin muodon. Kuvissa atomiydin on keskellä. Atomiytimen ympärille piirretään alue, jonka sisällä elektroni on 95 %:n todennäköisyydellä. Sivukvanttiluku voi saada arvokseen kokonaisluvun välillä [[$0\le \ell \le n-1$]]. Sivukvanttiluvun arvoille käytetään myös tunnuksia s, p, d, f, ...

Kun ollaan päätasolla 1 eli pääkvanttiluku on 1, sivukvanttiluvulle on vain 1 mahdollinen arvo, 0 eli s. Esimerkiksi päätasolla 3 sivukvanttiluvulle on kolme mahdollista arvoa, 0, 1 ja 2 eli s, p ja d. Nämä edustavat eri muotoisia orbitaaleja. Vetyatomilla orbitaalin muoto ei vaikuta energiaan. Monielektroniatomeilla elektronit eivät vuorovaikuta pelkästään ytimen kanssa vaan myös keskenään. Siksi orbitaalin muodolla eli sivukvanttiluvulla on merkitystä energiatasolle. Monielektroniatomien energiatasokaaviot ovat yleensä huomattavasti monimutkaisempia kuin vedyllä, ja niillä on enemmän mahdollisia energiatasoja. Kuten aiemmin on todettu, monielektroniatomien energiatasoille ei ole yleistä kaavaa, vaan ne määritetään kokeellisesti viivaspektrien perusteella.

Magneettinen kvanttiluku [[$m$]] kertoo orbitaalin asennon. Esimerkiksi p-orbitaaleja on kolme, koska yllä näkyvät p-orbitaalin pallukat voivat olla x-, y- tai z-suunnassa. Eri asentojen vaikutus kvanttitilan energiaan havaitaan atomin ollessa ulkoisessa magneettikentässä. Siksi asentoa kuvaavaa kvanttilukua kutsutaan magneettiseksi kvanttiluvuksi. Magneettikentän vaikutus energiatasoihin paljastuu siten, että aineen emissiospektrin spektriviivat jakaantuvat magneettikentässä useampiin lähekkäisiin spektriviivoihin. Magneettinen kvanttiluku voi saada kokonaislukuarvoja välillä [[$-\ell \dots \ell$]], eli vaihtoehtoisia asentoja on sitä enemmän, mitä monimutkaisemmasta muodosta on kyse.

Spinkvanttiluku [[$m_s$]] erottaa kaksi muuten samassa tilassa olevaa elektronia toisistaan. Spinkvanttiluku vaikuttaa elektronin käyttäytymiseen vastaavalla tavalla kuin makroskooppisen hiukkasen käyttäytymiseen vaikuttaa sen pyörimissuunta itsensä ympäri, ts. pyöriikö hiukkanen myötä- vai vastapäivään. Spinkvanttiluvulla on kaksi arvoa, jotka merkitään +½ ja -½. Elektronin spiniä ei kuitenkaan pidä mieltää elektronin pyörimisliikkeeksi.