随着科学技术的进步，人类终于发现了石油和天然气的奥秘。认识到石油和天然气是一种主要由碳（C）和氨（H）两种化学元素组成的多种化合物的混合物，是赋存于地下岩石孔隙中的液态和气态可燃矿产。按质量计算，碳元素约占83％～87％，氢元素约占12％～14％，这两种元素合起来，约占石油总量的99％，在剩下的1％中，用发射光谱法和中子活化分析法从中还发现了57种元素，常见的有36种，主要是S、N、O、Fe、Ca、Mg、Si、Al、V、Ni、Cu、Sb、Mn、Sr、Ba、B、Co、Zn、Mo、Pb、Sn、Na、K、P、Li、Cl、Bi、Be、Ge、Ag、As、Gd、Au、Ti、Cr、Cd等。尤其是钒（V）和镍（Ni）是分布普遍并具有成因意义的两种微量元素，V/Ni，即V、Ni含量及其比值是确定生油岩有机相、油源对比的重要数据。

烃通常是有机化合物，约占石油成分的97％－99％。烃是由碳和氢两种主要元素组成的，并且按本身结构的不同形成类型迥异的碳氢化合物。其主要分为烷烃、环烷烃和芳香烃三类。由于组成烃的C、H原子数目不同，石油中含有大小悬殊的烃分子，小的烃分子称甲烷（CH4），再大还有乙烷、丙烷……癸烷，还有11、12、13烷……由于烃分子大小不同，其沸点也不同，分子越小，沸点越低。分子小的（含C1－－4个）是气体，中等的〈含C5－－16个）是液体，分子大的（含C16个以上）是固体。所以说，石油主要是由不同大小烃分子组成的混合物。

C和H原子不同的排列方式，构成了多彩多姿结构不同的烃。例如，同样是6个C原子，排列成直线就形成已烷，若形成环状则重新形成环已烷或苯。由此，按C、H排列方式的不同，化学上将烃总体上分为烷烃、环烷烃和芳香烃等三类。组成石油的化合物除了烃类以外还有非烃类，非烃类则以S、N、O化合物的形态存在于胶质和沥青质中。

烷烃，又名脂肪族烃，通式为CNH2N＋2，属饱和烃。所有烷烃的密度都小于1，几乎不溶于水，其熔点及沸点均随相对分子质量增加而上升。因此，常用其作为油源对比的标志或称“指纹”。现已发现C9～C25规则的。

石油中所含的非烃化合物主要包括硫、氮、氧化合物。硫在石油中的含量变化很大，从万分之几（如我国克拉玛依石油含硫量仅0．05％）到百分之几（如委内瑞拉石油含硫量高达5．48％），可以呈元素硫（S）、硫化氢（H2S）、硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、环硫醚、二硫化物、噻吩及其同系物等形态出现。石油中所含的硫是有害的杂质，因为它容易产生H2S，FeS，H2SO3等化合物，对机器、管道、油罐、炼塔等金属设备会造成严重腐蚀，因此，含硫量是评价石油质量的一项重要指标。我国原油多属低硫石油（低于0．5％）。

石油中的含氮化合物有吡啶、吡咯、及其同系物，重金属V、NI与卟啉分子中的N呈络合状态存在，形成钒卟啉和镍卟啉，我国原油一般以含镍卟啉为主。金属卟啉化合物分子多数存在于沥青质中，少数分布在渣油的油质和胶质中。动物血红素和植物叶绿素等都属卟啉化合物，卟啉化合物在石油中含量的变化与沉积环境和埋藏深度等因素有关，所以，在原油中发现卟啉化合物对研究石油有机成因问题有重要意义。

含氧化合物在石油中均以有机化合物状态存在，分酸性氧化物和中性氧化物两类，前者有环烷酸、脂肪酸及酚，总称为石油酸，后者有醛、酮等，含量很少。高分子环烷酸不溶于水，但均易溶于石油烃，因而，这种环烷酸盐可以作为找油的一种标志。