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.

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.

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

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.

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.