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Il petrolio è un liquido oleoso di densità compresa fra 0,82 e 0,95 g/cm3 e di colore più o meno scuro.

Sulla sua origine esistono molte teorie, e la più accettabile sembra essere quella che lo ritiene originato da fermentazioni anaerobiche di grandi accumuli di materiale biologico marino (principalmente plancton ed alghe).

Il petrolio è costituito da migliaia di specie chimiche organiche, per la gran parte idrocarburi, ed ha composizione assai variabile a seconda della provenienza: i petroli della Pennsylvania, ad esempio, contengono circa il 95% di idrocarburi, mentre quelli della California ne contengono circa il 50 %.
Oltre agli idrocarburi (composti da carbonio e idrogeno), sono presenti anche zolfo, ossigeno e tracce di cadmio, arsenico e altri metalli pesanti.

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La quasi totalità del petrolio estratto (98%) viene distillato per la produzione di carburanti, lubrificanti, combustibili, solventi; dal petrolio si ottengono inoltre, direttamente o indirettamente, un gran numero di altri prodotti destinati agli usi più svariati.

Oggi in tutto il mondo industrializzato si conducono ricerche per trovare fonti di energia alternative al petrolio, sia per ragioni economiche che per l'elevato tasso di inquinamento atmosferico causato dall'uso dei combustibili da esso derivati.

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Una volta estratto, il petrolio viene trattato con sostanze chimiche e calore, per eliminare l'acqua, le particelle solide e per separare il gas naturale residuo. Poi è immagazzinato in serbatoi di smistamento e trasportato nelle raffinerie, dove viene trasformato in prodotti petroliferi.

La trasformazione del petrolio avviene principalmente in tre fasi distinte: la distillazione, il cracking e la raffinazione.

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Il cracking è un processo attraverso il quale si ottengono idrocarburi paraffinici leggeri per rottura delle molecole di idrocarburi paraffinici pesanti.
È pertanto un processo adottato per la produzione di idrocarburi leggeri, quali le benzine, a partire da greggi medio-pesanti e pesanti, aumentando la quantità di benzina ottenibile dal petrolio greggio.
La reazione di cracking si ottiene per via catalitica o termica e il risultato della reazione dipende fortemente dalle condizioni in cui la reazione avviene e dalla presenza o meno di catalizzatori.
Il metodo termico sfrutta un meccanismo basato su scissioni omolitiche, in cui i legami chimici si rompono in maniera simmetrica generando coppie di radicali; il metodo catalitico sfrutta l'acidità del catalizzatore - spesso solidi acidi, quali l'allumina e le zeoliti - che provocano scissioni eterolitiche dei legami chimici producendo carbocationi.

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Tutti i vari prodotti ottenuti con la distillazione, prima di essere venduti, vengono raffinate in piccole colonne per avere prodotti a un più alto grado di purezza: ad esempio le benzine sono “lavate” per togliere le tracce di zolfo e altre impurità e vengono mescolate con sostanze che ne migliorano le caratteristiche. La raffinazione del petrolio è un processo tecnologico in grado di trasformare il greggio in prodotti finali (carburanti, solventi, bitumi, lubrificanti) o in prodotti intermedi per l'industria petrolchimica (es. olefine, idrocarburi aromatici). Il processo si svolge in specifici stabilimenti industriali dette "raffinerie". La tecnologia ed i costi economici del processo di lavorazione del grezzo sono maggiori quanto più è bassa la qualità del petrolio grezzo. Un petrolio grezzo di scarsa qualità, oltre ad avere minori applicazioni tecniche, è caratterizzato da maggiori costi di lavorazione. In particolar modo, è importante analizzare la quantità di zolfo, di sali e di acqua presente nel petrolio grezzo.

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Questa è la prima lavorazione che subisce il petrolio greggio e serve a separare i componenti del greggio. In questa fase si sfrutta la “distillazione”, cioè il processo composto dalla vaporizzazione e dalla condensazione. Questo processo avviene nella colonna di frazionamento che è composta da una torre di acciaio divisa all’interno da tanti piani di acciaio, detti di separazione. Ogni piano ha una sua temperatura specifica, che diminuisce andando verso l’alto, e vari fori dotati di un camino e di una campanella. I camini servono a fare passare i gas provenienti dalla base della colonna, mentre le campanelle a far condensare i gas.

Il greggio liquido viene immesso nella base della torre e riscaldato alla temperatura di circa 400 gradi. Qui si trasforma in un miscuglio di gas che salgono verso l’alto, attraverso i camini dei piani di separazione. Durante la salita, i gas, toccando le campanelle si raffreddano e si separano in base alle diverse temperature di condensazione.

Gli idrocarburi più pesanti (con più atomi di carbonio), condensano subito e si depositano sul fondo della torre, dove vengono prelevati e utilizzati per produrre, mediante altri processi di distillazione: oli lubrificanti, paraffine, cere e bitumi (asfalto).

I componenti più leggeri condensano e ritornano liquidi ad una temperatura più bassa e quindi si depositano nei piani  più alti della torre.

Dalla torre di distillazione si ottengono:

- il gasolio che viene utilizzato come combustibile per motori diesel e per il riscaldamento domestico;

- il Kerosene che viene utilizzato come carburante per aerei a reazione e impianti di riscaldamento;

- la nafta che viene usata come combustibile e per produrre materie plastiche, farmaci, pesticidi, fertilizzanti e la gomma;

- le benzine che vengono utilizzate come carburante per automobili ed aerei e per produrre materie plastiche e detersivi.

Infine dal processo di distillazione si ottengono dei gas che vengono bruciati per ottenere energia, sostanze chimiche e plastiche e il GPL (Gas di Petrolio Liquefatto) che viene utilizzato come carburante per auto e per il riscaldamento.

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Una raffineria di petrolio è un impianto industriale con forte impatto ambientale, sia per l'area che essa normalmente occupa (misurabile in ettari), sia per la grande componente energetica (quasi tutti i processi di raffinazione sono infatti di tipo termico) sia per l'effetto sull'ambiente ad opera degli effluenti rilasciati.

In origine l'unico prodotto utilizzabile dalla raffinazione era il cherosene, per le lampade; di conseguenza benzina (troppo pericolosa a causa dell'infiammabilità) e gasolio (difficilmente accendibile) venivano scaricati nella rete fognaria. A risolvere tale inquinamento intervenne la diffusione del motore endotermico, che rese utili anche quelli che fino a quel momento erano considerati scarti.

In tempi recenti le tecnologie di raffinazione hanno ridotto di molto gli scarichi liquidi e gassosi; oggi è possibile vivere vicino ad una raffineria senza seri problemi sanitari. Tuttavia, le emissioni, pur ridotte, non sono annullate, e le grandi dimensioni di questi impianti fanno sì che queste emissioni, piccole se considerate relativamente, siano comunque importanti in termini assoluti.

È particolarmente onerosa la dismissione di una raffineria, per la contaminazione dei terreni circostanti con rifiuti e liquami tossici. Una tecnica utilizzata per le bonifiche è l'esorbimento termico, che consiste nel bruciare i residui petroliferi, con notevoli disagi per la popolazione sottoposta all'inalazione di fumi tossici.