Đá phiến dầu là một đá trầm tích giàu chất hữu cơ thuộc nhóm nhiên liệu sapropel (trầm tích giàu chất hữu cơ, màu tối, có tỷ lệ hợp chất hữu cơ vượt quá 2% trọng lượng).[11]Nó không có định nghĩa rõ ràng về mặt địa chất hoặc công thức hóa học xác định, và cũng không phải lúc nào cũng có ranh giới riêng biệt. Các đá phiến dầu khác nhau về thành phần khoáng vật, tuổi, kiểu kerogen và môi trường lắng đọng.[12] Đá phiến dầu khác với đá bitum (cát dầu và đá chứa dầu), than humic và đá phiến sét cacbonat. Trong khi cát dầu được tạo ra từ phân rã sinh học của dầu, thì yếu tố nhiệt và áp suất chưa chuyển đổi kerogen trong đá phiến dầu thành dầu hỏa.[2][13][14]

Đá phiến dầu chứa tỷ lệ chất hữu cơ thấp hơn trong than đá. Trong đá phiến dầu thương mại, tỷ lệ vật chất hữu cơ so với các khoáng vật khác nằm trong khoảng 0,75:5 và 1,5:5. Ở cùng một thời điểm, vật chất hữu cơ trong đá phiến dầu có tỷ lệ hydro/cacbon (H/C) thấp hơn trong dầu thô khoảng 1,2 đến 1,8 lần và cao hơn trong than đá khoảng 1,5 đến 3 lần.[2][11][15] Thành phần hữu cơ của đá phiến dầu được phân chia theo tổ hợp của sinh vật như xác của tảo, bào tử, phấn hoa, thực vật lớp cutin và các mảnh vụn của cây thân thảo và cây thân gỗ, và các tế bào của các thực vật trên cạn và dưới nước.[2][16]Một số tích tụ chứa các hóa thạch có ý nghĩa như mỏ than Messel của Đức hiện là di sản thế giới. Thành phần khoáng vật trong đá phiến dầu chủ yếu gồm silica hạt mịn và cacbonat.[6][11]

Dựa trên các thành phần cơ bản cấu tạo nên đá phiến dầu, các nhà địa chất có thể phân loại các chúng thành đá phiến sét giàu cacbonat, đá phiến sét giàu silica, hay đá phiến sét giàu than nến.[17]Một phân loại khác theo biểu đồ Krevelen, đề cập đến các loại kerogen, dựa vào thành phần hydro, cacbon, và ôxy của đá phiến dầu.[12] Phân loại được sử dụng rộng rãi nhất được Adrian C. Hutton, Đại học Wollongong, phát triển vào khoảng năm 1987-1991, phù hợp với các thuật ngữ thạch học có nguồn gốc từ nguyên từ học về than. Sự phân loại này chia đá phiến dầu theo môi trường tích tụ sinh khối ban đầu gồm trên cạn, hồ (trầm tích dạng đáy hồ), hay biển (trầm tích dạng đáy biển).[6][18] Biểu đồ phân loại của Hutton đã chứng minh tính hữu dụng của nó trong việc đánh giá thành phần và sản lượng dầu được chiết tách.[2]