ปิโตรเลียมมีต้นกำเนิดมาจากสารประกอบอินทรีย์ทั้งของพืชและของสัตว์ ที่สะสมตัวปะปนกับตะกอนชนิดต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งตะกอนที่มีอนุภาคขนาดเล็ก หรือตะกอนจำพวกคาร์บอเนต ซึ่งตกตะกอนสะสมตัวอยู่ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีพลังงานต่ำ และขาดแคลนออกซิเจนตามบริเวณแอ่งบนพื้นผิวโลกทั้งบนบกและในทะเลภายหลังจากที่ตะกอนสะสมตัวและทับถมฝังจมลงในแอ่งตะกอนเป็นเวลานานหลายล้านปี ก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของความร้อนจากภายในโลก และความกดดันที่เพิ่มขึ้นจากตะกอนที่ทับถมตัวอยู่เบื้องบน ตะกอนก็จะเปลี่ยนแปลงไปเป็นหินตะกอน ส่วนสารประกอบอินทรีย์ประเภทที่ระเหยหรือละลายน้ำได้ง่ายก็จะถูกขับออกไปจากหินตะกอนในช่วงเวลาระยะแรกๆ ของการเปลี่ยนแปลง คงเหลือไว้แต่สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของแข็งที่เรียกว่า "คีโรเจน" (Kerogen) คีโรเจนบางชนิดถือได้ว่าเป็นสารต้นกำเนิดที่สำคัญของปิโตรเลียม
ปัจจัยสำคัญที่สุดที่ทำให้สารต้นกำเนิดปิโตรเลียมหรือคีโรเจนแปรสภาพไปเป็นปิโตรเลียม คือ อุณหภูมิ ซึ่งอุณหภูมิขั้นต่ำสุดที่มีความจำเป็นในการเกิดปิโตรเลียมในสภาพของแอ่งตะกอนโดยทั่วๆ ไปก็คือ ระดับ ๑๒๐ องศาฟาเรนไฮต์ สภาพอุณหภูมิดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อตะกอนซึ่งมีสารอินทรีย์ปะปนอยู่ในปริมาณที่มากเพียงพอในหินตะกอน ได้ทับถมตัวจมลงใต้ผิวโลกลึกลงไป ยิ่งเป็นบริเวณแอ่งตะกอนที่มีตะกอนสะสมตัวทับถมกันหนา และจมตัวลึกลงไปมากเท่าไร อุณหภูมิใต้ผิวโลกบริเวณนั้นก็จะยิ่งเพิ่มสูงมากขึ้นตามไปด้วย อย่างไรก็ดี ที่ระดับความลึกไม่มากนักนั้น อุณหภูมิของบริเวณดังกล่าวจะไม่สูงพอที่จะทำให้เกิดน้ำมันดิบ สารอินทรีย์จากพืชและสัตว์บางส่วนจะสลายตัวไปโดยการทำงานของแบคทีเรีย ทำให้เกิดแก๊สชีวภาพในปริมาณที่มากพอสมควร ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแก๊สมีเทน (Methane) เกือบทั้งสิ้น แก๊สเหล่านี้บางทีเรียกชื่อว่า แก๊สไบโอเจนิก (Biogenic gas) หรือแก๊สสวอมป์ (Swamp gas) หรือแก๊สมาร์ซ(Marsh gas) และสามารถเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว มากที่ระดับตื้นๆ การสลายตัวของสารอินทรีย์โดยแบคทีเรียแล้วเกิดเป็นแก๊สชีวภาพจะลดปริมาณน้อยลงเรื่อยๆ เมื่อตะกอนทับถมตัวจมลึกลงไปจากระดับผิวดินตามลำดับ
ในแอ่งตะกอนโดยทั่วๆ ไปนั้น น้ำมันดิบจะเกิดขึ้นในระดับอุณหภูมิระหว่าง ๑๒๐ ถึง ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ แต่ที่ระดับอุณหภูมิ ๑๙๐ องศาฟาเรนไฮต์ จะเป็นระดับอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด นอกจากนี้ ปัจจัยเรื่องเวลาหรืออายุของตะกอนก็มีความสำคัญมากเช่นกัน ยิ่งตะกอนมีอายุมากเท่าไร ระดับอุณหภูมิที่จำเป็นในการแปรสภาพสารอินทรีย์ที่สะสมตัวในตะกอนนั้นๆ ไปเป็นปิโตรเลียมจะมีค่าต่ำลงเท่านั้น ตะกอนที่มีอายุน้อยต้องการอุณหภูมิที่ค่อนข้างสูงเพื่อแปรสภาพสารอินทรีย์ที่สะสมตัวปนกับตะกอนไปเป็น ปิโตรเลียม สำหรับ "น้ำมันหนัก" (Heavy oil) ซึ่งหมายถึง น้ำมันดิบที่มีลักษณะหนืด หรือมีค่าความถ่วง เอ พี ไอ ต่ำ จะเกิดจากการแปรสภาพสารอินทรีย์ที่ระดับอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับ "น้ำมันเบา" (Light oil) หรือน้ำมันดิบที่ค่อนข้างเหลว และมีค่าความถ่วง เอ พี ไอ สูง ซึ่งเกิดจากการแปรสภาพของสารอินทรีย์ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูงกว่า
โดยทั่วๆ ไปแล้ว จะต้องใช้เวลาหลายล้านปีเพื่อแปรสภาพสารอินทรีย์ไปเป็นปิโตรเลียม หินต้นกำเนิดปิโตรเลียม (Source rock) ที่มีอายุน้อยที่สุดซึ่งสามารถให้กำเนิดปิโตรเลียมได้ จะมีอายุในสมัยไพลิโอซีน (Pliocene period) หรือประมาณ ๑.๘ ถึง ๕ ล้านปี โดยหลักการเบื้องต้นนั้น ถ้าสภาพอุณหภูมิของหินต้นกำเนิดมีค่าสูงกว่า ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ น้ำมันดิบก็จะแปรสภาพไปเป็น กราไฟต์ (Graphite) และแก๊สธรรมชาติ สารอินทรีย์และถ่านหินก็จะแปรสภาพไปเป็นแก๊สธรรมชาติด้วย ในระดับอุณหภูมิที่สูงดังกล่าวนี้ จะมีแก๊สธรรมชาติเกิดขึ้นในอัตราที่รวดเร็วมาก มีชื่อเรียกว่า แก๊สเทอร์มอล(Thermal gas) ซึ่งในกระบวนการเกิดแก๊สเทอร์มอลนี้ จะเกิดแก๊สธรรมชาติที่เรียกว่า แก๊สเปียก (Wet gas) ขึ้นมาก่อน และเมื่อระดับอุณหภูมิสูงขึ้นอีก ก็จะเกิดแก๊สธรรมชาติชนิดแก๊สแห้ง (Drygas) ตามขึ้นมา
ที่ระดับความลึกซึ่งมีอุณหภูมิระหว่าง ๑๒๐ ถึง ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ จะเกิดน้ำมันดิบซึ่งมีชื่อเรียกว่า ออยล์วินโดว์ (Oil window) เหนือช่วงระดับความลึกนี้ จะเป็นบริเวณที่เกิดแก๊สธรรมชาติที่เรียกว่า แก๊สไบโอเจนิก (Biogenic gas)นอกจากนี้ ใต้ระดับความลึกที่เกิดออยล์วินโดว์ก็จะเกิดแก๊สเทอร์มอลขึ้นด้วย
ช่วงระดับความลึกที่เกิดน้ำมัน หรือออยล์วินโดว์นั้น จะแตกต่างกันออกไปในแต่ละบริเวณทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับอัตราการแผ่รังสีความร้อนของเปลือกโลกบริเวณนั้นๆ ซึ่งโดยทั่วๆ ไปแล้วในแอ่งตะกอนจะมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น ๑.๔ องศาฟาเรนไฮต์ ทุกๆ ความลึก ๑๐๐ ฟุต และระดับความลึกที่เกิดน้ำมันจะอยู่ในช่วง ๕,๐๐๐ ถึง ๒๐,๐๐๐ ฟุต แต่ระดับความลึกดังกล่าวนี้อาจเปลี่ยนแปลงไปตามอายุของตะกอนอีกด้วย
แอ่งตะกอนหลายแอ่งไม่มีปิโตรเลียมเลยทั้งนี้มิได้หมายความว่าไม่เคยเกิดปิโตรเลียมขึ้นในแอ่งตะกอนนั้นๆ แต่อาจเป็นเพราะปิโตรเลียมที่เกิดขึ้นไม่ถูกกักเก็บไว้ในแอ่ง กล่าวคือ ได้เคลื่อนย้ายตัวออกไป (Migration) ภายหลังจากที่ปิโตรเลียมเกิดขึ้นมา แอ่งตะกอนบางแอ่งอาจมีเฉพาะแก๊สธรรมชาติสะสมตัวอยู่ บางแอ่งอาจมีทั้งน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติสะสมตัวอยู่ร่วมกัน ความแตกต่างของสารอินทรีย์ที่ปะปนอยู่กับหินต้นกำเนิด (Source rock) ของปิโตรเลียมจะชี้บ่งชนิดของปิโตรเลียมที่เกิดขึ้น อาทิ สารอินทรีย์ที่เกิดจากพืชจะทำให้เกิดแก๊สธรรมชาติส่วนสารอินทรีย์ที่เกิดมาจากแหล่งอื่นๆ ที่มิใช่ซากต้นไม้ เช่น สาหร่าย สัตว์ทะเล จะทำให้เกิดน้ำมันดิบ
เมื่อปิโตรเลียมในรูปของน้ำมันดิบ และในหินต้นกำเนิดแล้ว ก็จะเคลื่อนย้ายตัวออกไปตามช่องว่างระหว่างอนุภาคของหินหรือรอยแตกเนื่องจากอิทธิพลของแรงกดดันของตะกอนที่ทับถมอยู่เบื้องบน และแรงดันจากการเพิ่มปริมาตร หลังจากที่สารอินทรีย์แปรสภาพไปเป็นปิโตรเลียม โดยปิโตรเลียมจะมีทิศทางการเคลื่อนตัวขึ้นสู่เบื้องบนที่ระดับความลึกน้อยกว่าเข้าไปกักเก็บสะสมตัวในหินตะกอนที่มีความพรุนสูงกว่า หรือมีรอยแตกในเนื้อหิน ซึ่งมีชื่อเรียกว่าหินกักเก็บ (Reservoir rock) เมื่อมีหินตะกอนเนื้อแน่นที่ไม่ยอมให้ของไหลเคลื่อนตัวผ่าน ปิดทับอยู่เหนือหินกักเก็บปิโตรเลียมทั้งในรูปของน้ำมันดิบและ/หรือแก๊สธรรมชาติ ก็จะเกิดการสะสมตัว (Accumulation) ในเนื้อของหินกักเก็บตามช่องว่างเล็กๆ ระหว่างอนุภาคของหิน หรือรอยแตกในเนื้อหิน บริเวณที่ปิโตรเลียมเกิดการกักเก็บและสะสมตัวกันเป็นปริมาณมากนั้น จะเรียกว่า "แหล่งกักเก็บ" (Trap)
เมื่อปิโตรเลียมในรูปของน้ำมันดิบ และหรือแก๊สธรรมชาติเคลื่อนตัวไปสะสมในแหล่งกักเก็บ จะเกิดการแยกชั้นเนื่องจากความแตกต่างด้านค่าความหนาแน่น แก๊สธรรมชาติซึ่งเบาที่สุดถ้ามีอยู่ในแหล่งกักเก็บจะพบในส่วนบนสุด ลึกลงไปจะเป็นชั้นน้ำมันดิบ และน้ำซึ่งอยู่ชั้นล่างสุด
