与常见的其他物质不同，石油是一个组成非常复杂的混合物。例如，白酒主要是由水和乙醇两种分子组成的，它们所包含的化合物或分子种类数非常有限，通过分析化验手段可以知道这些物质里面包括多少种化合物以及每种化合物的含量，可以准确地知道物质的组成。而石油是由古代动植物的遗体埋藏在地下，经过亿万年的物理和化学作用形成的，本身动植物的遗体即由多种复杂的组分组成，再加上地下高温、高压和长时间所引发的复杂变化，导致石油中包含了成千上万种各种不同结构的烃类和非烃类化合物。因此，石油的化学组成不可能采用常规方法进行表征。
虽然原油、天然气、页岩油、页岩气和可燃冰的相态、形成过程和储存状态不同，但都属于石油的范畴，所以它们在化学组成上既有相同点，又各具特色。组成这些物质的化合物绝大多数为碳氢化合物，也就是烃类，除此以外，这些物质中还包括种类和数量不一的非烃类化合物。
石油的化学组成是多种因素综合作用的结果，除与原始有机质及其成熟度有关外，石油的运移及其在储层中发生的次生改造也会影响石油的化学组成。一方面，石油在储层中发生脱沥青作用及热催化转化，使轻组分的含量增加，石油的密度和黏度减小，饱和烃，尤其是正构烷烃含量增加，石油的性质改善；另一方面，石油在储层中的氧化和生物降解（重质组分难以降解）作用，使石油中的胶状沥青状物质增加，石油的密度和黏度增加，石油的质量变差。
天然气、页岩气和可燃冰主要是由低分子量的烃类组成，其中绝大多数是甲烷，另外还含有少量的由2～4个碳原子组成的烃类，甚至非常少量的大于等于5个碳原子的烃类。因为来源和产地不同，这些气体中还可能含有硫化氢、惰性气体、二氧化碳、汞和氮气等，但含量一般很低。气态石油中的非烃类含量低，燃烧速度快且燃烧充分，污染物排放少，所以气态石油属于清洁能源。
原油、页岩油和油砂沥青也主要是由烃类组成的，但一般包括的烃类众多，分子量也比气态石油中的烃类大得多，部分烃类的分子量可以达到上千甚至更高。除烃类以外，液态石油中还含有数量和种类繁多的非烃类化合物，根据组成不同，可分为含硫化合物、含氮化合物、含氧化合物和胶状沥青状物质。尤其是页岩油，是油页岩经处理所得，除含有天然原油中的烷烃、环烷烃和芳烃外，还含有部分烯烃。另外，非烃类化合物的含量也比天然原油高，组成更加复杂。
所有的石油都是以烃类为主要组分组成的烃类和非烃类的混合物。石油中的烃类是石油产品的主要组成部分和理想组分，也是人们最希望含有的组分，但不同石油产品对烃类组成的要求并不相同。
天然石油中的烃类主要包括烷烃、环烷烃和芳烃，尽管这三种烃类的化学结构不同，但它们的共同点是化学性质都比较稳定。在某些二次加工的油品中，往往还含有大量烯烃。烯烃是一种不饱和烃，化学性质不稳定，特别容易和其他组分（尤其是氧）发生化学反应，甚至烯烃之间也可以发生聚合反应，导致油品变质、颜色变深等。
石油中的烃类主要来源于生物体内的醇类、醛类、羧酸类、环状萜烯类等原生烃类脂化物的微生物降解。正构烷烃是由沉积物中的脂肪醇、脂肪酸、脂肪醛等经生物化学发酵生成的。大部分异构烷烃是由干酪根中的脂肪结构热解并催化转化形成的；海洋生物和细菌类脂化物中的异构脂肪酸也是异构烷烃的来源之一。环烷烃是由生物直接合成的，主要是生物体内各种环状萜的衍生物。另外，不饱和脂肪酸的脱水环化也可以生成环烷烃。生物体内的环状物质，如胡葛卜素、维生素E、维生素K等在细菌作用下进行芳构化反应，以及不饱和脂肪酸的脱水、环化反应等，均可以生成芳烃和环烷基芳烃；干酷根在较高温度下裂解时的脂链环化和脱氧反应也可以生成芳烃。
除烃类以外，石油及其产品中还含有含硫化合物、含氮化合物、含氧化合物及胶状沥青状物质，即非烃类化合物。
含硫化合物是石油中广泛存在的一类化合物，石油之所以有臭味，部分原因就是广泛含硫而引起的（不含硫或含硫少的原油，一般具有淡淡的油香味）。石油及其产品中含硫，可以带来诸多负面影响，如腐蚀设备、污染环境、恶化油品质量、引起油品加工过程中催化剂中毒等。尤其是在油品使用过程中，硫排放引起的环境污染问题，是目前汽车工业和石油工业饱受垢病的原因之一，降硫也是目前石油产品升级换代、加速油品清洁化的重要目标之一。
含氮化合物也是石油中广泛存在的一类化合物，但其含量比含硫化合物要低。含氮化合物对油品的加工和使用同样会带来危害，如引起催化剂中毒，与空气接触氧化生成胶质而引起油品气味变臭、颜色变深，甚至产生絮状沉淀等。由于轻质油品中的氮化物含量较低，目前并没有引起人们的广泛关注。
石油中的含氧化合物较少，主要包括酸性氧化物和中性氧化物两类，除酸性氧化物可以带来一定的腐蚀外，含氧化合物其他方面的影响较小，所以对其研究的也较少。石油中的酸性氧化物含量最多的是环烷酸，环烷酸可引起原油乳化和设备腐蚀等，但如果将石油中的环烷酸分离出来，它又是非常有用的化工原料，可以用作和杀菌剂、防腐剂、有色金属萃取剂、植物生长激素以及合成其他化工产品的原材料等。
胶状沥青状物质是石油中含有两种或两种以上杂原子、化学组成和化学结构最复杂、平均分子量最大的一类物质的总称，集中了石油中绝大部分的硫、氮、氧和微量金属等元素，分子量最高可以达到10000以上。石油产品（除渣油类石油产品外）中如果含有胶状沥青状物质，会使油品的颜色变深，在使用过程中容易生成炭渣，导致机器零件的磨损和管线堵塞等。因此，绝大多数石油产品要严格限制胶状沥青状物质的含量。但是，如果沥青产品中的胶状沥青状物质多些，则会增加沥青的延伸度，提高沥青的塑性。
由此可见，非烃类化合物在油品中弊大于利，在石油产品中应尽量除去。但天然石油中往往含有大量的非烃类化合物，在石油加工过程中，必然会有一部分非烃类化合物转移到石油产品中去，影响油品的质量和使用性能。因此，在油品的加工过程中，如何避免或减少非烃类化合物转移到石油产品中，是炼化企业需重点考虑的问题之一，甚至炼化企业中有很多工艺过程就是专门用来除去油品中的非烃类化合物的，如各类精制过程。
