ปิโตรเลียมเป็นวัสดุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในสถานะของของเหลว แก๊ส วัสดุกึ่งของแข็งหรือของแข็งที่ผสมกันของสารจำพวกไฮโดรคาร์บอน น้ำมันดิบ (Crude oil) คือ ปิโตรเลียมที่อยู่ในลักษณะของของเหลวตามธรรมชาติเป็นส่วนใหญ่ แก๊สธรรมชาติ (Natural gas) คือ ปิโตรเลียมที่อยู่ในลักษณะของแก๊สตามธรรมชาติส่วนของเหลวภายใต้อุณหภูมิและความกดดันบรรยากาศเป็นแก๊สธรรมชาติเหลว (Condensate) ไฮโดรคาร์บอนคือสารประกอบซึ่งมีคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก โดยทั่วๆ ไปนั้น สารประกอบไฮโดรคาร์บอนมีมากมายหลายประเภทตามลักษณะของสูตรทางเคมี และโครงสร้างโมเลกุล แต่มีเพียง ๓ ประเภทเท่านั้นที่มีความสำคัญเกี่ยวข้องกับปิโตรเลียม คือ
(ก) ประเภทพาราฟิน (Parafin) ซึ่งเป็นอนุกรมของไฮโดรคาร์บอนที่อิ่มตัว และมีครงสร้างโมเลกุลเชื่อมต่อกันเป็นเส้น มีสูตรทางเคมีโดยทั่วไปคือ CnH2n+2 เช่น มีเทน (Methane, CH4)
(ข) ประเภทแนพทีน (Napthene) ซึ่งเป็นอนุกรมของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนทที่อิ่มตัวและมีโครงสร้างโมเลกุลเชื่อมต่อกันเป็นวง มีสูตรทางเคมีทั่วไป คือ CnH2n เช่น ไซไคลเพนเทนส์ (Cyclopentanes, C5H10) และไซโคลเฮ็กเซนส์ (Cycoohexanes, C6H12)
(ค) ประเภทอโรมาติก (Aromatic) ซึ่งมีโครงสร้างโมเลกุลเชื่อมต่อเป็นวง ไม่อิ่มตัวหรือไม่มีเสถียรภาพ มีสูตรทางเคมีทั่วไป คือCnH2n-6 เช่น เบนซีน (Benzene,C6H6)
น้ำมันดิบมีลักษณะทางกายภาพ และส่วนประกอบทางเคมีที่หลากหลายแตกต่างกันออกไป มีทั้งสีเหลือง เขียว น้ำตาล และดำมีค่าความหนาแน่นอยู่ในช่วง ๐.๗๙ ถึง ๐.๙๕ กรัมต่อมิลลิลิตร ภายใต้สภาพปกติที่ผิวโลกซึ่งเบากว่าน้ำ ทำให้น้ำมันดิบลอยตัวที่ผิวน้ำเสมออย่างไรก็ดี การบอกค่าความหนาแน่นของน้ำมันดิบนิยมกำหนดเป็นค่าความโน้มถ่วงของน้ำมันดิบเป็น องศา เอ พี ไอ (° API)
องศา เอ พี ไอ = (141.5/ค่าความถ่วงจำเพาะที่ 60°F) - 130.5
น้ำมันดิบโดยทั่วไปมีค่าองศา เอ พี ไออยู่ในช่วง ๕ ถึง ๖๑ ค่าความหนืดของน้ำมันดิบอยู่ในช่วงค่อนข้างกว้างมาก คือ ตั้งแต่ ๐.๗ ถึง ๔๒,๐๐๐ เซนติปอยส์ ในสภาพปกติที่พื้นผิวโลก ส่วนประกอบทางเคมีที่สำคัญโดยทั่วไปของน้ำมันดิบมีปริมาณคาร์บอนร้อยละ ๘๒.๒ - ๘๗.๑ ไฮโดรเจนร้อยละ ๑๑.๗ - ๑๔.๗ กำมะถันร้อยละ ๐.๑ - ๕.๕ น้ำมันดิบสามารถเรืองแสงได้ภายใต้รังสีอัลตราไวโอเลตหรือแสงเหนือม่วง
แก๊สธรรมชาติประกอบขึ้นด้วยโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอน ๔ ชนิด ซึ่งมีจำนวนคาร์บอนตั้งแต่ ๑ ถึง ๔ ได้แก่ มีเทน (Methane, CH4) อีเทน (Ethane,C2H6) โพรเพน (Propane,C3H8) และบิวเทน (Butane, C4H10) โดยมีแก๊สมีเทนเป็นส่วนผสมในปริมาณที่มากสุด ส่วนประกอบทางเคมีที่สำคัญของแก๊สธรรมชาติมีปริมาณคาร์บอนร้อยละ ๖๕ - ๘๐ ไฮโดรเจนร้อยละ ๑ - ๒๕ กำมะถันในปริมาณที่เล็กน้อยถึงร้อยละ ๐.๒ ไนโตรเจนร้อยละ ๑ - ๑๕ นอกจากนี้อาจมีคาร์บอนไดออกไซด์ปรากฏร่วมเป็นมลทินแต่อาจมีในปริมาณที่สูงมากได้ และอาจมีมลทินชนิดอื่นๆ เช่น ไนโตรเจน ฮีเลียม ไฮโดรเจนซัลไฟด์ เกิดร่วมได้
ในบริเวณแหล่งน้ำมันดิบใต้ผิวโลกลึกลงไปนั้น แก๊สธรรมชาติที่เกิดร่วมในปริมาณมากจะละลายปนกับน้ำมันดิบ ครั้นเมื่อได้มีการผลิตและสูบเอาน้ำมันดิบขึ้นมาถึงระดับผิวดิน สภาพความกดดันลดลง ทำให้แก๊สธรรมชาติเป็นฟองผุดออกมาจากน้ำมันดิบ และทำให้ปริมาตรของน้ำมันดิบลดลงถึง ๐.๖ เท่า
ในแหล่งแก๊สธรรมชาติที่ปรากฏอยู่ที่ระดับความลึกมากๆ นั้น มีระดับอุณหภูมิค่อนข้างสูงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเหลวที่มีโครงสร้างโมเลกุลเชื่อมต่อกันสั้นๆ ซึ่งโดยปกติเป็นโครงสร้างที่มีโมเลกุลของคาร์บอน ๕ - ๗ ตัวจะเกิดอยู่ในสถานะแก๊ส ครั้นเมื่อมีการผลิตแก๊สธรรมชาติจากแหล่งดังกล่าวขึ้นมา ทั้งไฮโดรคาร์บอนที่มีสถานะเป็นแก๊สและเป็นของเหลวถูกนำขึ้นมาที่ระดับผิวดินและอุณหภูมิลดลง จะมีไฮโดรคาร์บอนที่มีลักษณะเป็นของเหลวกลั่นตัวออกมาจากแก๊สธรรมชาติ เรียกว่า แก๊ส ธรรมชาติเหลว มีสีใส เหลือง หรือน้ำเงินอ่อนมีค่าความโน้มถ่วง เอ พี ไอ ประมาณ ๕๐ - ๑๒๐องศา แก๊สธรรมชาติที่มีแก๊สธรรมชาติเหลวปนอยู่มีชื่อเรียกว่า "แก๊สเปียก" หรือเว็ตแก๊ส(Wet gas) ในขณะที่แก๊สธรรมชาติที่ปราศจากแก๊สธรรมชาติเหลวมีชื่อเรียกว่า "แก๊สแห้ง" หรือดรายแก๊ส (Dry gas)
หน่วยที่ใช้วัดปริมาณน้ำมันดิบที่นิยมใช้กันคือ บาเรล (Barrel) โดยหนึ่งบาเรลมี ๔๒ แกลลอน หรือ ๑๕๘.๙๘๗ ลิตร สำหรับหน่วยที่ใช้วัดปริมาตรของแก๊สธรรมชาตินิยมใช้เป็น ๑,๐๐๐ ลูกบาศก์ฟุต (๑,๐๐๐ cubic feet, Mcf) และนิยมบอกค่าที่อุณหภูมิ ๖๐ องศาฟาเรนไฮต์ และความกดดัน ๓๐ นิ้วของปรอททั้งนี้ เนื่องมาจากแก๊สธรรมชาติเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างรวดเร็วที่สภาวะอุณหภูมิ และความกดดันที่แตกต่างออกไป ๑ ล้านลูกบาศก์ฟุต (๑ million cubic feet) คือ MMcf
