Có nhiều cách phân loại đá phiến dầu khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng khoáng vật chứa trong nó, loại kerogen, tuổi, lịch sử lắng đọng trầm tích, và nguồn gốc của các tổ hợp sinh vật. Các mỏ đá phiến dầu có tuổi từ kỷ Cambri đến đệ Tam. Thành phần thạch học dao động trong khoảng từ đá phiến sét đến macnơ và tất cả các đá cacbonat được hình thành từ hỗn hợp của các vật chất hữu cơ và vô cơ.[6]

Đá phiến dầu được chia thành 3 nhóm dựa trên thành phần khoáng vật là đá phiến sét giàu cacbonat, đá phiến séy silic và đá phiến sét chứa than nến. Các đá phiến sét giàu cacbont được phân biệt theo tên gọi dựa vào hàm lượng khoáng vật cacbonat như canxit và dolomit. Có khoảng 20 loại khoáng vật cacbonat được tìm thấy trong đá phiến dầu, trong đó thành phần chính gồm authigenic hoặc diagentic. Đá phiến sét giàu cacbonat đặc biệt là các trần tích có nguồn gốc hồ, thường tạo thành các lớp giàu vật chất hữu cơ xen kẽ với các lớp giàu cacbonat. Các tích tụ này tạo thành các hệ tầng dễ bị phong hóa nên cũng khó khai thác bằng phương pháp ngoài hiện trường.[7][8] Đá phiến silic thường có màu nâu sẫm hoặc đen.[8] Chúng không giàu cacbonat nhưng chứa nhiều khoáng vật silic như thạch anh, fenspat, sét, đá lửa và opan. Đá phiến silic không giống như đá phiến cacbonat là nó cứng và khó bị phong hóa, và thích hợp khi khai thác bằng phương pháp ngoài hiện trường.[7] Đá phiến than nến thường có màu nâu sẫm hoặc đen do các vật chất hữu cơ bao quanh các hạt khoáng vật khác. Chúng thích hợp cho việc khai thác bằng phương pháp ngoài hiện trường.[8]

Một cách phân loại khác theo loại kerogen tức dựa vào hàm lượng hydro, cacbon, và ôxy của các vật chất hữu cơ nguyên thủy trong đá phiến dầu. Cách phân loại này được dựa trên "biểu đồ van Krevelen".[6] Cách phân loại đá phiến dầu được sử dụng nhiều nhất đã được Adrian C. Hutton, Đại học Wollongong phát triển trong khoảng thời gian 1987 và 1991, phù hợp với các thuật ngữ thạch học trong nghiên cứu về than. Theo cách phân loại này đá phiến dầu được chia theo môi trường ban đầu hình thành sinh khối như lục địa, hồ (trầm tích đáy hồ), hay biển (trầm tích đáy biển).[2][3] Sơ đồ phân loại của Hutton đã chứng minh được tính hữu dụng trong việc ước tính thành phần và mức độ sinh dầu.[9]

Than nến là một loại than có nguồn gốc lục địa màu nâu đến đen chứa nhiều hydro đôi khi có cấu tạo phiến sét, chứa nhựa cây, bào tử, sáp, các vật liệu cutin và corky có nguồn gốc thực vật có mạch từ lục địa cũng như có hàm lượng vitrinit và inertinit thay đổi khác nhau. Đá phiến sét nguồn gốc hồ chứa Lamosite và Torbanite. Lamosite là loại đá phiến dầu có màu nâu sắc xám xanh và xám nâu đến xám tối, đen do chúng chứa phần lớn chất hữu cơ là lamalginite có nguồn gốc từ tảo sinh vật trôi nổi trong hồ. Torbanite được đặt theo tên của Torbane Hill ở Scotland, là loại đá phiến dầu có màu đen do chứa các vật chất hữu cơ có nguồn gốc Botryococcus giàu lipid và liên quan đến các dạng tảo. Đá phiến sét biển có 3 dạng khác nhau: Kukersite, Tasmanite, và Marinite. Kukersite được đặt theo tên của Kukruse ở Estonia, là loại đá phiến sét biển chứa thành phần hữu cơ là telalginite có nguồn gốc từ tảo lục, Gloeocapsomorpha prisca. Tasmanite được đặt theo tên của Tasmania, là loại đá phiến sét biển chứa thành phần hữu cơ là telalginite có nguồn gốc chủ yếu từ tảo tasmanitid đơn bào ở biển. Marinite là loại đá phiến séy biển có màu xám đến xám tối, đen chứa chất hữu cơ chủ yếu là lamalginite và bituminite có nguồn gốc từ phytoplankton ở biển với sự trộn lẫn của bitumen, telalginite, và vitrinite.[3]