เมื่อประมาณ 350 ถึง 280 ล้านปีในอดีตพืชต่างๆที่ตายแล้วจะทับถมและเน่าเปื่อยผุพังอยูใต้แหล่งน้ำและโคลนตม เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงของผิวโลก เช่นแผ่นดินไหวหรือภูเขาไฟระเบิด ซากพืชเหล่านี้จะจมลึกลงไปในผิวโลกภายใต้ความร้อนและความดันสูง ซากพืชเหล่านี้ซึ่งอยู่ในภาวะที่ขาดหรือมีออกซิเจนจำกัดจึงเกิดการย่อยสลายอย่างช้าๆ โครงสร้างหลักของพืชเป็นเซลลุโลส น้ำและลิกนินซึ่งสารเหล่านี้ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจนและออกซิเจน เมื่อถูกย่อยสลายให้มีโมเลกุลเล็กลงคาร์บอนจะเปลี่ยนแปลงไปเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่มีปริมาณคาร์บอนตั้งแต่ร้อยละ 50 โดยมวลหรือมากกว่าร้อยละ 70 โดยปริมาตรส่วนไฮโดรเจนและออกซิเจนจะเกิดเป็นสารประกอบอื่นแยกออกไป

ถ่านหินที่พบและนำมาใช้งาน สามารถจำแนกตามอายุการเกิดหรือปริมาณคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบให้ดังรูป

พีต เป็นถ่านหินในขั้นเริ่มต้นของกระบวนการเกิดถ่านหิน ซากพืชบางส่วนยังสลายตัวไม่หมดและมีลักษณะให้เห็นเป็นลำต้น กิ่งและใบ มีสีน้ำตาลจนถึงสีดำ มีความชื้นสูง เมื่อนำพีตมาเป็นเชื้อเพลิงจึงต้องผ่านกระบานการไล่ความชื้นหรือทำให้แห้งก่อน ความร้อนที่ได้จากการเผาพีตจะสูงกว่าที่ได้จากไม้ จึงนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อการให้ความร้อนในบ้านและผลิตไฟฟ้า ข้อดีของพีตคือมีปริมาณร้อยละของกำมะถันต่ำกว่าน้ำมันและถ่านหินชนิดอื่นๆ

ลิกไนต์ หรือถ่านหินสีน้ำตาล เป็นถ่านหินที่มีซากพืชเหลืออยู่เล็กน้อย ลักษณะเนื้อเหนียวและผิวด้าน มีปริมาณออกซิเจนและความชื้นต่ำแต่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าพีต เมื่อติดไฟมีควันและเถ้าถ่านมาก ลิกไนต์ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับให้ความร้อนและใช้เพื่อการผลิตกระแสไฟฟ้า

ซับบิทูมินัส เป็นถ่านหินที่เกิดมานานกว่าลิกไนต์มีสีน้ำตาลจนถึงสีดำ ลักษณะผิวมีทั้งผิวด้านและเป็นมัน มีทั้งเนื้อเนื้ออ่อนร่วนและแข็ง มีปริมาณออกซิเจนและความชื้นต่ำแต่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าลิกไนต์ ใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าและงานอุตสาหกรรม

บิทูมินัส เป็นถ่านที่เกิดนานกว่าซับบิทูนัสมีเนื้อแน่นและแข็ง มีทั้งสีตาลจนถึงสีดำมีปริมาณออกซิเจนและความชื้นต่ำแต่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าซับทูมินัส ใช้เป็นเชื้อเพลิงในการถลุงโลหะและนำมาใช้เป็นวัตถุดิบเพื่อเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงเคมีอื่นๆ ได้

แอนทราไซต์ เป็นถ่านหินที่มีอายุการเกิดนานที่สุดมีสีดำ ลักษณะเนื้อแน่น แข็งและเป็นมัน มีปริมาณออกซิเจนและความชื้นต่ำแต่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าถ่านหินชนิดอื่นจุดไฟติดยาก เมื่อติดไฟจะให้เปลวสีน้ำเงินจางๆ มีควันน้อยให้ความร้อนสูงและไม่มีสารอินทรีย์ระเหยออกมาจากการเผาไหม้

ปริมาณร้อยละของธาตุองค์ประกอบในถ่านหินชนิดต่างๆ เมื่อเทียบกับไม้แสดงในตาราง 12.1

ปริมาณขององค์ประกอบ ( ร้อยละโดยมวล )

การเผาไหม้คาร์บอน ( แกรไฟต์ ) จะให้พลังงานความร้อน 32.8 กิโลจูลต่อกรัม แต่การเผาไหม้ถ่านหินให้พลังงานความร้อนเฉลี่ยประมาณ 30.6 กิโลจูลต่อกรัม จึงกล่าวได้ว่าพลังงานความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหินขึ้นอยู่กับปริมาณของคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบในถ่านหิน การเผาไหม้ถ่านหินแต่ละชนิดที่มีมวลเทากัน จะให้พลังงานความร้อนแตกต่างกันตามปริมาณคาร์บอนที่มีอยู่ในถ่านหินซึ่งมีลำดับจากน้อยไปมากดังนี้ แอนทราไซต์ บิทูมินัส ซับบิทูมินัส ลิกไนต์และพี