Nhiên liệu hóa thạch có vai trò rất quan trọng bởi vì chúng có thể được dùng làm chất đốt (bị ôxi hóa thành điôxít cacbon và nước) để tạo ra năng lượng. Việc sử dụng than làm nhiên liệu đã diễn ra rất lâu trong lịch sử. Than được sử dụng để nấu chảy quặng kim loại. Các hydrocacbon bán rắn rò rỉ lên mặt đất cũng được dùng làm chất đốt trong thời cổ đại,[7] nhưng các vật liệu này hầu hết được sử dụng làm chất chống thấm và ướp xác.[8]Khai thác dầu mỏ thương mại, phần lớn là sự thay thế cho dầu có nguồn gốc động vật (như dầu cá) để làm chất đốt cho các loại đèn dầu bắt đầu thừ thế kỷ 19.[9]

Khí thiên nhiên đã có thời kỳ bị đốt bỏ trên các giàn khoan dầu và được xem là sản phẩm không cần thiết của quá trình khai thác dầu mỏ, nhưng bây giờ được quan tâm rất nhiều và được xem là tài nguyên rất có giá trị.[10]

Dầu thô nặng là một loại dầu có độ nhớt lớn hơn dầu thô, còn được gọi là dầu cát. Dầu cát là loại bitumen bị trộn lẫn với cát và sét, và là nguồn nhiên liệu hóa thạch quan trọng.[11] Phiến sét dầu và các vật liệu tương tự là các đá trầm tích chứa kerogen, một hỗn hợp của các hợp chất hữu cơ cao phân tử, và là chất sinh ra dầu thô tổng hợp khi bị nhiệt phân. Các vật liệu này chưa được khai thác thương mại.[12] Các nhiên liệu này được dùng cho các động cơ đốt trong, nhà máy điện dùng nhiên liệu hóa thạch và các mục đích khác.

Trước nửa sau thế kỷ 18, cối xay gió hay cối xay nước đã cung cấp nhu cầu năng lượng cho ngành công nghiêp như nghiền bột mì, xẻ gỗ hoặc bơm　nước, và đốt gỗ hoặc than bùn để cung cấp nhiệt dân dụng. Việc sử dụng nhiêu liệu hóa thạch ở phạm vi rộng, thì nhiên liệu đầu tiên là than, theo sau là dầu hỏa để vận hành các động cơ hơi nước, và là đóng góp rất lớn cho cuộc cách mạng công nghiệp. Vào cùng thời gian đó, khí đốt sử dụng khí thiên nhiên hoặc khí than cũng được sử dụng rộng rãi. Việc phát minh ra động cơ đốt trong và lắp đặt nó trong ô tô và xe tải đã làm tăng cao nhu cầu sử dụng xăng và dầu diesel, cả hai loại này đầu là sản phẩm chưng cất từ nhiên liệu hóa thạch. Các hình thức vận tải khác như đường sắt và hàng không cũng đòi hỏi sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Các nguồn tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch khác như nhà máy điện và công nghiệp hóa dầu. Hắc ín là sản phẩm còn lại sau khi chiết tách dầu, cũng được dùng làm vật liệu trải đường.