Nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo vì chúng mất hàng triệu năm để hình thành. Nhiên liệu hóa thạch tạo nên hầu hết các nguồn năng lượng không thể tái tạo và chúng được tạo ra từ hàng triệu năm trước do kết quả của các sinh vật phân hủy dưới áp suất và sức nóng khổng lồ.
Than, dầu mỏ và khí tự nhiên là nhiên liệu hóa thạch. Chúng là nhiên liệu làm sẵn có giá thành tương đối rẻ để chiết xuất. Carbon là nguyên tố chính trong nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu hóa thạch có sẵn trong nguồn cung hạn chế.
Hàng trăm triệu năm trước, Trái đất được bao phủ bởi các vùng biển nông và đầm lầy. Thực vật, tảo và sinh vật phù du sinh trưởng trong các vùng đất ngập nước tạo ra năng lượng thông qua quá trình quang hợp, và khi chúng chết đi, năng lượng vẫn được lưu trữ trong chúng. Khi đá và trầm tích tích tụ trên những sinh vật này, nhiệt độ và áp suất cao đã biến chúng thành hóa thạch. Các nguồn năng lượng không thể tái tạo này tồn tại trên khắp thế giới.
Không phải tất cả các nguồn năng lượng không thể tái tạo đều là nhiên liệu hóa thạch. Quặng uranium được sử dụng làm nhiên liệu trong các nhà máy điện hạt nhân. Uranium được phân loại là nhiên liệu không thể tái tạo mặc dù nó không phải là nhiên liệu hóa thạch.
Sinh khối có thể được coi là tái tạo và không thể tái tạo vì năng lượng sinh khối sử dụng năng lượng có trong thực vật. Khi con người có thể khai thác năng lượng từ các sinh vật hóa thạch, nhiên liệu hóa thạch đã thay thế các nguồn năng lượng tái tạo như gỗ, gió, mặt trời và nước làm nguồn nhiên liệu chính.
