Theo nghĩa hẹp nhất, dầu mỏ chỉ bao gồm dầu thô, nhưng sử dụng phổ biến nó bao gồm tất cả các hydrocacbon lỏng, khí và rắn. Dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ bề mặt, các hydrocacbon nhẹ hơn mêtan, ethane, propane và butan xảy ra dưới dạng khí, trong khi pentane và các hydrocacbon nặng hơn ở dạng chất lỏng hoặc chất rắn. Tuy nhiên, trong một bể chứa dầu ngầm, tỷ lệ khí, chất lỏng và chất rắn phụ thuộc vào điều kiện dưới bề mặt và trên sơ đồ pha của hỗn hợp dầu mỏ.[37]

Một giếng dầu sản xuất chủ yếu dầu thô, với một số khí tự nhiên hòa tan trong đó. Bởi vì áp suất thấp hơn bề mặt so với dưới lòng đất, một số khí sẽ thoát ra khỏi dung dịch và được thu hồi (hoặc đốt cháy) như khí hoặc dung dịch khí liên quan. Khí đốt tạo ra khí tự nhiên chủ yếu. Tuy nhiên, do nhiệt độ và áp suất ngầm cao hơn bề mặt, khí có thể chứa các hydrocacbon nặng hơn như pentan, hexan và heptan trong trạng thái khí. Ở điều kiện bề mặt, chúng sẽ ngưng tụ ra khỏi khí để tạo thành "khí ngưng tụ tự nhiên", thường được rút ngắn lại thành ngưng tụ. Condensate tương tự như xăng và có thành phần tương tự với một số loại dầu thô nhẹ dễ bay hơi.

Tỷ lệ hydrocacbon nhẹ trong hỗn hợp dầu mỏ thay đổi rất nhiều giữa các mỏ dầu khác nhau, từ 97% trọng lượng trong các loại dầu nhẹ đến 50% trong dầu và bitum nặng hơn.

Các hydrocacbon trong dầu thô chủ yếu là các ankan, cycloalkan và các hydrocacbon thơm khác nhau, trong khi các hợp chất hữu cơ khác chứa nitơ, oxy và lưu huỳnh, và theo dõi một lượng kim loại như sắt, niken, đồng và vanadi. Nhiều hồ chứa dầu chứa vi khuẩn sống.[38] Thành phần phân tử chính xác của dầu thô thay đổi rất nhiều từ hình thành đến hình thành nhưng tỷ lệ các nguyên tố hóa học thay đổi theo giới hạn khá hẹp như sau:[39]Các thành phần hóa học của dầu mỏ được chia tách bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. Các sản phẩm thu được từ việc lọc dầu có thể kể đến là dầu hỏa, benzen, xăng, sáp parafin, nhựa đường, dầu diesel, khí đốt v.v.

Một cách chính xác thì dầu mỏ là hỗn hợp của các hiđrôcacbon, là hợp chất của hiđrô và cacbon.

Trong điều kiện thông thường, bốn alkan nhẹ nhất — CH4 (mêtan), C2H6 (êtan), C3H8 (prôpan) và C4H10 (butan) — ở dạng khí, sôi ở nhiệt độ -161.6 °C, -88.6 °C, -42 °C, và -0.5 °C tương ứng (-258.9°, -127.5°, -43.6°, và -31.1 °F).

Các chuỗi trong khoảng C5-7 là các sản phẩm dầu mỏ nhẹ, dễ bay hơi. Chúng được sử dụng làm dung môi, chất làm sạch bề mặt và các sản phẩm làm khô nhanh khác. Các chuỗi từ C6H14 đến C12H26 bị pha trộn lẫn với nhau được sử dụng trong đời sống với tên gọi là xăng. Dầu hỏa là hỗn hợp của các chuỗi từ C10 đến C15, tiếp theo là dầu điêzen/dầu sưởi (C10 đến C20) và các nhiên liệu nặng hơn được sử dụng cho động cơ tàu thủy. Tất cả các sản phẩm từ dầu mỏ này trong điều kiện nhiệt độ phòng là chất lỏng.

Các dầu bôi trơn và mỡ (dầu nhờn) (kể cả Vadơlin®) nằm trong khoảng từ C16 đến C20.

Các chuỗi trên C20 tạo thành các chất rắn, bắt đầu là sáp parafin, sau đó là hắc ín và nhựa đường bitum.

Khoảng nhiệt độ sôi của các sản phẩm dầu mỏ trong chưng cất phân đoạn trong điều kiện áp suất khí quyển tính theo độ C là:

• Xăng ête: 40-70 °C (được sử dụng như là dung môi)
• Xăng nhẹ: 60-100 °C (nhiên liệu cho máy bay)
• Xăng nặng: 100-150 °C (nhiên liệu cho ô tô)
• Dầu hỏa nhẹ: 120-150 °C (nhiên liệu và dung môi trong gia đình)
• Dầu hỏa: 150-300 °C (nhiên liệu)
• Dầu điêzen: 250-350 °C (nhiên liệu cho động cơ điêzen/dầu sưởi)
• Dầu bôi trơn: > 300 °C (dầu bôi trơn động cơ)
• Các thành phần khác: hắc ín, nhựa đường, các nhiên liệu khác