공유 결합(共有結合, covalent bond)은 두 개 이상의 원자가 전자를 공유하여 형성하는 화학 결합의 일종이다. 이 결합은 주로 비금속 원자 사이에서 발생하며, 원자들이 전자를 공유함으로써 외부 전자껍질을 안정화하려고 하는 경향에 따라 형성된다. 공유 결합의 강도는 원자가 공유하는 전자의 수에 따라 달라지며, 일반적으로 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합으로 분류된다.

단일 결합은 두 원자가 한 쌍의 전자를 공유할 때 형성되며, 예를 들어 두 개의 수소 원자가 결합하여 H₂ 분자를 형성하는 과정에서 관찰할 수 있다. 이중 결합은 두 쌍의 전자를 공유하는 경우로, 산소 분자인 O₂에서 볼 수 있으며, 삼중 결합은 세 쌍의 전자를 공유하는 경우로, 질소 분자인 N₂에서 발견된다.

공유 결합은 전기적 성질에 따라 극성이 있을 수 있다. 만약 두 원자의 전기음성도 차이가 크면, 전자를 더 강하게 끌어당기는 원자가 전자 밀도를 더 많이 가지게 되어 극성 결합이 형성된다. 반면, 비슷한 전기음성도를 가진 원자끼리 결합할 경우 비극성 결합이 형성된다.

또한, 공유 결합은 분자의 형태와 화학적 성질에 큰 영향을 미치며, 다양한 화합물의 구조와 반응성에 중요하다. 예를 들어, 물(H₂O) 분자는 산소 원자가 두 개의 수소 원자와 공유 결합을 형성하여 이루어진다. 이와 같은 성질 때문에 공유 결합은 생화학적 과정, 고분자 화학 및 재료 과학에 많은 응용이 있다.