石油从地下开采出来后不能直接使用，需要通过物理或化学方法的处理和加工才能够被人们利用，这种加工处理的过程就是石油的炼制。该过程主要分为一次加工、二次加工和油品精制加工三个阶段。
石油炼制的第一个阶段是一次加工。该阶段主要根据石油不同组分的沸点和密度差异，在石油脱盐、脱水后，采用常减压蒸馏的物理方法将石油分成多种馏分。该阶段的主要产品有汽油、喷气燃料、煤油、柴油、石油溶剂、燃料油、润滑油、石蜡和沥青。汽油和喷气燃料主要是汽车、摩托车和飞机等交通工具的燃料；煤油主要供照明、生活炊事用；柴油则广泛应用于大型车辆和船舰；燃料油用作锅炉、轮船及工业炉的燃料；石油溶剂用于香精、油脂、试剂等；润滑油除润滑性能外，还具有冷却、密封、防腐、绝缘等作用；石蜡主要做包装材料、化妆品原料及蜡制品，也可合成生产肥皂的原料脂肪酸；沥青具有很好的黏结性、绝缘性、隔热性及防湿、防渗、防水、防腐、防锈等性能，主要供道路、建筑使用。
石油炼制的第二个阶段是二次加工。该阶段是对石油蒸馏处理后得到的轻馏分物质进行化学处理，主要方法有催化裂化、催化重整、加氢裂化、延迟焦化、炼油厂气加工等。二次加工一方面能提高石油的加工深度，产生优质汽油、柴油、煤油和润滑油；另一方面可生产重要的化工原料，例如芳香烃、烯烃和烷烃。这些化工原料可进一步经过高分子聚合，形成日常生活中广泛应用的合成树脂、合成纤维和合成橡胶。合成树脂是塑料的基本原料，合成纤维是重要的纺织纤维，合成橡胶是由乙烯、丙烯、丁烯和芳香烃等单体聚联成的具有弹性的大分子固体，可大致分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两大类。通用合成橡胶主要用来生产各种轮胎、工业用品、生活用品及医疗卫生用品；特种合成橡胶是专门在特殊条件下使用的橡胶制品，如耐油胶管、油箱、密封垫片等。除了以上介绍的产品外，石油的加工产物还可以制得化肥、染料、农药、医药等。
石油炼制的最后一个阶段是油品精细加工。由于蒸馏过程得到的工业用油质量标准不同，所以在炼制成产品前，还需要进行精制处理或特殊的工业处理，进一步精制，除去杂质，改善性能，使其达到合格标准。处理的方法主要有酸精制、碱精制、脱臭、加氢、脱蜡等。
基于上述石油炼制过程，人们已经能够从石油这种单一资源中获取5000多种产品。历经“蜕变”后的石油产品已遍及到工业、农业、建筑业、交通运输业和人们日常生活中的各个领域。