在石油中由碳、氢两种元素组成的化合物的成分很复杂。按其结构可分为烷烃（包括直链和支链烷烃）、环烷烃（多数为烷基环戊烷和烷基环己烷）和芳香烃（多数是烷基苯）。在石油中一般不含烯烃。
在石油中含硫的化合物主要有硫醇（rsh）、硫醚（rsr）、二硫化物（rssr）和噻吩等。
在石油中含氧的化合物主要有环烷酸和酚（以苯酚为主），此外还含有少量的脂肪酸。环烷酸是指分子中含有一个或多个骈合脂环、碳原子数为11～30个的羧酸。羧基既可以在脂环上，也可以在侧链上。在炼油生产中，常将环烷酸和酚统称为石油酸。
在石油中含氮的化合物主要有吡啶、吡咯、喹啉和胺类等。因吡咯在空气中容易被氧化，颜色逐渐变深，这与汽油久存后颜色变深有关。
石油的化学组成不是固定的，而是随产地的不同而不同。根据石油中所含烃的成分的不同，一般将石油分为烷烃基石油、环烷基石油、混合基石油和芳烃基石油等几大类。但各产油国常根据本国资源的情况有不同的分类。