Hầu hết việc khai thác đá phiến dầu liên quan đến khai thác mỏ theo sau đó là vận chuyển sản phẩm đến nơi nào đó đốt để phát điện hoặc trải qua các quá trình xử lý. Phương pháp thông thường nhất là khai thác mỏ lộ thiên. Các công đoạn bao gồm bốc đi lớp phủ (đất, thực vật) để lộ ra đá phiến dầu trong trường hợp mỏ nằm gần mặt đất. Trong trường hợp mỏ nằm dưới sâu phải sử dụng phương pháp khai thác hầm lò, phương pháp này chỉ bốc đi một phần nhỏ lớp phủ trên bề mặt sau đó đào các đường hầm và khai thác theo kiểu buồng và trụ chống.[43]

Việc tách các thành phần có ích từ đá phiến dầu thường diễn ra trên mặt đất (xử lý ngoài hiện trường (ex-situ), tuy nhiên một số công nghệ hiện đại cho phép việc xử lý có thể được tiến hành ngay tại hiện trường (in-situ) dưới lòng đất.[44] Trong cả hai trường hợp, quá trình nhiệt phân hóa học chuyển đổi kerogen trong đá phiến dầu thành dầu thô và khí tổng hợp. Các công nghệ biến đổi phổ biến nhất là nung đá phiến dầu trong điều kiện thiếu ôxy ở áp xuất mà tại đó kerogen phân hủy thành khí, dầu cô đặc, và cặn dầu rắn. Quá trình này diễn ra trong khoảng nhiệt độ từ 450 °C (842 °F) đến 500 °C (932 °F).[19] Quá trình phân hủy bắt đầu ở nhiệt độ tương đối thấp (300 °C / 570 °F), nhưng quá trình trở nên nhanh hơn và hoàn toàn hơn ở nhiệt độ cao hơn.[45]

Xử lý tại hiện trường (in-situ) sử dụng nhiệt để nung đá phiến dầu dưới lòng đất. Các công nghệ này có khả năng chiết tách nhiều dầu hơn từ một khu vực mỏ cho trước so với xử lý ngoài hiện trường, vì khi đó họ có thể xử lý vật liệu ở độ sâu lớn hơn so với việc xử lý ở các mỏ trên mặt.[46]

Một số công ty có bằng sáng chế độc quyền về các phương pháp xử lý tại hiện trường. Tuy nhiên, phần lớn các phương pháp này vẫn còn trong giai đoạn thử nhiệm. Có thể so sánh quá trình xử lý hiện trường thuần túy (true in-situ - TIS) và hiện trường cải tiến (modified in-situ - MIS). Xử lý ngay tại hiện trường thuần túy không liên quan đến khai thác mỏ đá phiến dầu, còn xử lý bằng phương pháp hiện trường cải tiến liên quan đến việc loại bỏ một phần đá phiến dầu và mang chúng lên mặt đất để xử lý tạo độ thấm cho khí thoát ra trong lò nung cuội sỏi. Chúng vỡ ra thành các mảnh vụn đá phiến dầu.[47]

Hàng trăm bằng sáng chế về công nghệ chưng cất đá phiến dầu đã được cấp;[48]tuy nhiên, chỉ vài chục là đã qua thử nghiệm. Năm 2006, chỉ có 4 công nghệ đã được sử dụng trong thương mại là[49]: Kiviter, Galoter, Fushun, và Petrosix.[50]