天然气与石油是一对“孪生兄弟”，它们在起源上既有密切联系又有显著区别，天然气比石油有更广泛的形成条件和储存空间。
天然气成因在学术界争论由来已久，目前证实的天然气成因有生物成因天然气、有机成因天然气和无机成因天然气。有机成因天然气和氢元素发生反应，形成无机成因天然气。
生物成因的天然气，发生在低温（小于75℃）还原环境下，厌氧细菌对沉积有机质进行生物化学降解所形成的富含甲烷的气体。20世纪60年代在西西伯利亚北部白垩系砂岩中发现的产气区即为生物成因。我国青海柴达木盆地广泛发育有第四系沉积，勘探工作者已在其中发现多个大、中型生物气田，东海、云南陆良、百色盆地等也都有生物成因的天然气田发现。
人们熟知的“沼气”也是生物气，来源于生物质，是一种生物燃料，由厌氧细菌分解或发酵有机质（如生物质、动物粪便或下水道污物、复合型废料、能源作物）而产生。这种生物气主要由甲烷和二氧化碳构成。沼气已在许多地区得以利用，但它的应用范围还可以大大扩展。沼气不能成为可供管线输送的天然气，除非将其净化至一定程度，就地作为燃料或用专用管进行短途输送。另一种类型的生物气为木煤气，由木材或其他生物质气化而得，这种气体主要成分是氮气、氢气和一氧化碳，还有微量的甲烷。
有机成因气的生烃母质类型一般划分为腐泥型、腐殖型，实际上也存在介于两者之间的混合型。有学者把腐泥型有机质的热解气和裂解气归为油型气，而把腐殖型有机质（主要为煤系中的煤层和分散有机质）的热解气和裂解气归为煤型气。
热降解作用：有机聚合物在加热时所发生的降解过程，是聚合物降解的一种重要方式。在热作用下，大分子末端断裂，生成活性较低的自由基，然后按链式机理迅速逐一脱除单体而降解，脱除少量单体后，短期内残留物的分子量变化不大，这类反应称为解聚。
影响热降解产物的主要因素有热解过程中自由基的反应能力，参与链转移反应的氢原子的活泼性。所以含活泼氢的聚合物如聚丙烯酸酯类、支化聚乙烯等，热解时单体收率都很高。如聚合物裂解后生成的自由基被取代基所稳定，一般按解聚机理反应。利用该原理，可从废有机玻璃回收单体，因此热解反应是包装废弃物回收处理、循环利用的重要方法之一。
油型气的演化途径一种是干酪根热降解为石油，随地温增高又可裂解为气态烃；另一种为有机质直接热降解为气态烃。煤型气是指由煤系有机质热演化形成的天然气。煤型气的原始有机质基本组成是碳水化合物及木质素，主要来自各种门类的植物遗体。它们随着埋深的增加，经煤化作用演变成不同煤阶的煤，或者伴随矿物质经成岩作用形成腐殖型干酪根。煤成气和煤层气都属于煤型气，但两者在产状和赋存状态上存在着差异。
无机成因气泛指无机物质在各种自然环境下经复杂地质作用形成的天然气，通常包括地球深部岩浆活动、变质作用、无机矿物分解作用、放射作用所形成的岩浆气、变质岩气和各种无机岩分解气，以及宇宙空间所产生的宇宙气体。这类天然气的形成一般不涉及有机物质的参与和反应。总体上可认为，来自幔源的岩浆活动、变质作用及相伴的无机矿物热分解作用是无机成因气的主要成因。深大断裂活动常与无机成因气的分布有关。非烃天然气大量来自无机作用是毋庸置疑的，研究发现甲烷也有无机成因来源。可以看出，无论是生物成因天然气还是油型气、煤型气，追根溯源都是
由有机物质生成的，都可以称为有机成因天然气。在地球的大气圈和岩石圈中还广泛存在着由上述各种成因气体混合而成的气体。这种混合成因气在物质组成、形成背景和赋存状态上往往各不相同，具有各自的特点。大气就是典型的混合成因气。由混源气形成的天然气藏也相当普遍，在油气地质研究中应予以足够重视。