Het begrip orbitaaloverlap verwijst in de scheikunde naar de mate waarin 2 orbitalen (veelal atomaire orbitalen) met elkaar overlappen om op deze manier een chemische binding te vormen. Het concept van orbitaaloverlap werd geïntroduceerd door Nobelprijswinnaar Linus Pauling om de experimenteel bepaalde bindingshoeken in moleculen te verklaren. Het vormt onder meer de basis voor de constructie van moleculaire orbitalen en voor het hybridisatiemodel.