يتكون النفط الخام من مزيج معقد من الهيدروكربونات، وهي جزيئات تتكون أساسًا من ذرات الكربون والهيدروجين. تختلف هذه الهيدروكربونات في حجمها وتركيبها، ما يؤدي إلى اختلاف خصائص النفط الخام من مكان إلى آخر. إضافة إلى الهيدروكربونات، قد يحتوي النفط الخام على كميات صغيرة من :

*

الكبريت:

يُعتبر الكبريت من الشوائب، ووجوده يؤثر على جودة النفط.
*

النيتروجين:

يُعتبر أيضًا من الشوائب.
*

الأكسجين:

يُعتبر أيضًا من الشوائب.
*

المعادن:

توجد بكميات ضئيلة، وتتراوح من المعادن الثقيلة مثل النيكل والحديد إلى المعادن الخفيفة مثل البوتاسيوم والصوديوم.
*

الماء:

موجود عادةً في النفط الخام.
*

الرواسب:

مثل الطين والرمل.

بشكل عام، يُعتقد أن النفط الخام نتج عن تحلل المواد العضوية (بقايا نباتات وحيوانات) المدفونة تحت الأرض منذ ملايين السنين تحت ضغط وحرارة هائلين. تُعرف هذه العملية باسم "التكوين الأحفوري". تختلف ظروف الضغط والحرارة خلال هذه العملية، ما يؤدي إلى تنوع في تركيب النفط الخام الناتج.