任何含有化石燃料的庞大沉积物的形成都需要大量富含碳和氢的有机质的原始聚集。另外一个必要条件就是这些有机质碎屑应迅速埋藏，使其与空气完全隔绝，这样就不会因生物化学反应或氧化而被分解破坏。在地球上的绝大部分海域中，微生物极为丰富，它们死亡之后，遗体就会沉到海底。在海岸线附近存在着一些水下区域，比如大陆架，来自大陆的风化冲刷物会在那里快速堆积，这就是形成石油的有利区域。在大陆架上，大量的有机质迅速被沉积物掩埋。人们认为，这些聚集起来的海洋微生物体可以形成石油和大部分天然气。一些产出天然气的沉积岩层与生油层并不相关，这类天然气可能是由被掩埋在岩石层内的植物体内物质生成的。随着埋藏深度的增加，有机质开始发生变化。
随着上覆沉积物或岩石重量的增加，地层压力增加，温度也会随着埋藏深度的增加而升高。渐渐地，在漫长的地质历史时期里，一系列化学反应发生了。这些反应将大型而复杂的有机分子分解成为简单且小的烃类分子。在石油形成的早期阶段，岩石内主要为较大（较重）的烃类分子，它们可能是厚重、近乎由沥青构成的固体。随着石油的成熟，大分子不断分解，一系列烃类物质终于形成。浓稠的液体让位于较为稀而“清淡”的液体，这样就形成了润滑的石油、高温的石油和气态烃。在石油形成的最后阶段，绝大部分石油被进一步裂解为极其简单而轻质的天然气分子。有机质热演化的绝大部分过程发生在50一100℃温度区间内。在这个温度区间之上，剩余的烃类几乎全为甲烷（天然气）；随着温度升高，甲烷也会被裂解并被破坏殆尽。
简单地说，千百万年前，古代海洋的表层水体内生活着难以计数的微体植物和动物―浮游植物和浮游动物。它们死亡之后，就会以碎屑的形式沉到海底，与那里的淤泥和粉砂等混合在一起，形成了富含有机质的沉积层。不断有更新的沉积物加入，沉积层厚度已达数千米，随着埋藏深度的增加，它们被压成了岩石，温度也不断升高。这种条件如果长期保持，岩石层内的原始有机质就会发生转变，分解成为一些较为简单的烃类物质，它们是氢和碳的化合物。最终，石油和天然气形成了。