Dầu được hình thành khi các vật liệu hữu cơ bị chôn vùi dưới lớp đá trầm tích; điều kiện thiếu khí và áp suất mạnh gây ra sự biến đổi dần dần trong dầu mỏ. Hầu hết các thành phần của dầu là tảo nhỏ và động vật phù du, mặc dù một số loài động vật lớn hơn như khủng long cũng có trong hỗn hợp này. Quá trình này mất hàng trăm nghìn năm.
Quá trình hình thành dầu đòi hỏi sự kết hợp của một số yếu tố. Các nhà khoa học gọi dầu mỏ như một loại nhiên liệu hóa thạch vì nó có nguồn gốc từ các sinh vật thời tiền sử. Thực vật và động vật định cư bên dưới đất liền và biển cùng với cát và phù sa. Những tàn tích này dần dần bị bao phủ bởi sự tích tụ đá trầm tích, tạo ra nhiệt và áp suất. Những điều kiện này trở thành thiếu khí, có nghĩa là thiếu ôxy hòa tan trong hệ thống.Nhiệt và áp suất đầu tiên biến chất hữu cơ thành kerogen, một vật liệu sáp. Khi nhiệt và áp suất tăng lên, kerogen trải qua quá trình xúc tác, biến vật liệu thành hydrocacbon lỏng và khí.
Để dầu hình thành, hỗn hợp phải đạt được nhiệt độ mà các nhà địa chất gọi là "cửa sổ dầu". Nếu không, nó vẫn ở trạng thái kerogen.
Theo thời gian, dầu sẽ di chuyển lên trên qua các lỗ chân lông trong đá. Một số thấm ra bề mặt Trái đất, nhưng hầu hết vẫn bị mắc kẹt trong các rào cản. Các bẫy dầu ngầm được gọi là bể chứa. Người ta khai thác dầu từ các hồ chứa thông qua khoan.
