天然气是一种混合气体，主要由烃类、含硫组分和其他组分构成。烃类化合物一般占60％～90％，其中烷烃的占比最大，最简单的甲烷占烃类含量的70％～90％。甲烷兼具气体燃料和化工原料两大属性，无色无臭，密度比空气小，化学性质很稳定，但经热裂解、水蒸气转化、卤化及硝化等反应后，可以制造化肥、塑料、橡胶及人造纤维等。
天然气中的乙烷、丙烷、丁烷（含正丁烷和异丁烷），在高温常压下是气体。有些天然气中，乙烷、丙烷和丁烷的含量较高，丙烷、丁烷常可以经适当加压或降温而液化成为液化石油气，简称液化气。液化气可以加工制成化工产品或装入煤气罐内，供用户使用。
天然气中常含有一定量的含碳量较高的烷烃——戊烷（碳五）、己烷（碳六）、庚烷（碳七）、辛烷（碳八）、壬烷（碳九）和癸烷（碳十），它们在常温常压下是液体，是汽油的主要成分。在天然气开采中，上述组分凝析为液油而被回收，称为凝析油，是一种天然汽油。
含碳量更高的烷烃，即不饱和的烯烃、炔烃，在天然气中的总含量一般小于1％。有的天然气中含有少量的环戊烷和环己烷。有的天然气中还含有少量的芳香烃，其多数为苯、甲苯和二甲苯，上述组分常常可以和凝析油一起从天然气中分离出来。
天然气中的含硫成分可分为无机硫化物和有机硫化物。无机硫化物组分只有硫化氢，它是一种密度比空气大、可燃、有毒、有臭鸡蛋气味的气体，溶于水为氢硫酸，对金属有强腐蚀作用，故称硫化氢为酸性气体。硫化氢还会使催化剂中毒，导致催化能力减弱或消失。
有机硫化物在天然气中的含量较少，有硫醇、硫醛、二硫醚、二硫化碳、羰基硫等，其对金属的腐蚀不及硫化氢严重，但同样会使催化剂失去活性。这些化合物具有毒性、臭味，燃烧后会生成污染大气的二氧化硫，因此在天然气进行管输和利用之前，必须脱除其中的含硫化合物。
天然气中的常见组分还有二氧化碳和一氧化碳。一氧化碳的含量甚微，而二氧化碳含量在一些气井中采出时可高达10％以上。二氧化碳遇水会生成碳酸，腐蚀金属设备，因此通常在天然气脱硫过程中将二氧化碳同硫化氢一起脱除。
气井采出的天然气大多含有饱和水蒸气，在低温下会冷凝为水或冰，导致管道与设备腐蚀或堵塞，所以对天然气中的饱和水蒸气也应进行脱除处理。
另外，大多数天然气中含有氮，其含量在10％以下，某些天然气中含有微量氧。天然气中氦气和氩气，以及可能含有的可燃性的氢气和氨气，一般含量都在1％以下。