เป็นสารผสมของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนและสารอินทรีย์หลายชนิดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ปรากฏทั้งในสถานะของเหลวและแก๊ส ในสถานะของเหลว ได้แก่น้ำมันดิบ ส่วนในสถานะแก๊สคือ แก๊สธรรมชาติ

ปิโตรเลียมเกิดจากการทับถมของซากพืชและซากสัตว์ที่คลุกเคล้าอยู่ เป็นเวลาหลายล้านปีตะกอน
เหล่านี้จะจมตัวลงเรื่อยๆ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของผิวโลกภายใต้ความดันและความร้อนสูง รวมทั้งอยู่ในบริเวณที่มีปริมาณออกซิเจนจำกัด จึงสลายตัวเปลี่ยนสภาพเป็นน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ แทรกอยู่ระหว่างชั้นหิน