Nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm khi đốt để sử dụng và khi bị đổ trong quá trình vận chuyển hoặc khai thác. Đốt nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân gây ô nhiễm lớn nhất.
Hầu hết các nhiên liệu hóa thạch được đốt cháy để biến thành năng lượng, và các khí thải vào không khí do đốt cháy, do đó gây ra ô nhiễm không khí và nước. Các khí thải ra do đốt và đốt nhiên liệu hóa thạch bao gồm carbon monoxide, nitơ oxit, lưu huỳnh oxit và hydrocacbon. Trong không khí, những khí này trở thành chất gây ung thư, có thể được hít vào và cũng có thể kết hợp với mưa rơi tạo thành mưa axit.
Nhiên liệu hóa thạch cũng trở thành chất ô nhiễm khi bị đổ trong quá trình vận chuyển. Mặc dù điều này là hiếm khi xảy ra so với các hạt vật chất trong không khí được giải phóng khi chuyển đổi nhiên liệu hóa thạch thành năng lượng, nhưng nó vẫn có tác động tiêu cực đến môi trường nghiêm trọng khi nó xảy ra. Nhiên liệu hóa thạch rơi vãi và nước muối dùng để khoan chúng có thể ngấm chất độc vào nước ngầm và đất.
Tương tự như sự cố tràn dầu trong quá trình vận chuyển, tai nạn khai thác và khoan rất hiếm, nhưng trong lịch sử đã có những trường hợp nhiên liệu hóa thạch bị rò rỉ ra môi trường. Theo báo cáo, chất lượng nước suy giảm gần các điểm rò rỉ đã gây ra bệnh tật, thậm chí có thể gây ra cái chết cho bất kỳ người hoặc động vật nào tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệu hóa thạch bị rò rỉ.
