Le pétrole brut est principalement constitué de molécules d'hydrocarbures, mais des impuretés, telles que le soufre, l'azote, l'oxygène, le fer, l'arsenic, le vanadium, le cuivre, le nickel, le chlorure de sodium, le chlorure de calcium et le chlorure de magnésium, sont également présentes. Les molécules d'hydrocarbures comprennent des chaînes droites, des chaînes ramifiées et des anneaux.
Le pétrole brut doit être raffiné pour éliminer les impuretés, produisant des carburants riches en énergie comme le diesel et l'essence, ainsi que des substances utiles comme la cire de paraffine. Le plus petit hydrocarbure est le méthane, qui est un gaz. Les chaînes avec cinq carbones ou plus sont liquides à température ambiante. Les chaînes très longues sont des solides. Les principales classes d'hydrocarbures comprennent les aromatiques, la paraffine, les naphtènes et les alcènes.
