化学家莱纳斯·鲍林第一个提出了杂化轨道理论来解释甲烷（CH4）等分子的结构[1]。 这个概念原本是为了解释简单的化学系统而开发的，但是这种方法后来被广泛应用，至今天它仍然是一种解释有机化合物结构的有效理论。
轨道是描述电子在分子中的行为的一个模型。对于较简单的原子，如氢原子，薛定谔方程可以被精确求解。在较重的原子（如碳、氮、氧）中，原子使用了2s和2p轨道，类似氢原子的激发态轨道，杂化轨道被认为是这些原子轨道以不同的比例互相叠加而成的混合。杂化轨道理论给出了路易士结构的量子力学解释，因而在有机化学里得到了广泛应用。