Dầu thô chủ yếu bao gồm các phân tử hydrocacbon, nhưng cũng có các tạp chất như lưu huỳnh, nitơ, oxy, sắt, asen, vanadi, đồng, niken, natri clorua, canxi clorua và magie clorua. Các phân tử hydrocacbon bao gồm mạch thẳng, mạch nhánh và vòng.
Dầu thô cần được tinh chế để loại bỏ các tạp chất, tạo ra nhiên liệu giàu năng lượng như dầu diesel và xăng cũng như các chất hữu ích như sáp parafin. Hydrocacbon nhỏ nhất là metan, là chất khí. Chuỗi có năm cacbon trở lên là chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Chuỗi rất dài là chất rắn. Các lớp chính của hydrocacbon bao gồm chất thơm, parafin, naphthenes và anken.
