Hóa thạch trong đá phiến dầu kukersite kỷ Ordovic, bắc Estonia.Hình chụp dưới kính hiển vi đá phiến dầu Colorado chứa nhiều varve. Tấm hữu cơ mỏng ở dạng tấm rất mịn.Tấm khoáng vật chứa chất hữu cơ, và có thể được phân biệt bởi dạng hạt thô hơn và dày hơn của chúng. Các hạt cát (màu trắng). Phóng đại 320.Hóa thạch trong đá phiến dầu từ mỏ than Messel, phía nam Frankfurt am Main, Đức.

Là một loại nhiên liệu sapropel, đá phiến dầu khác với các nhiên liệu humus về hàm lượng chất hữu cơ của nó thấp. Chất hữu cơ này có tỷ số hydro:cacbon khoảng 1,5 – gần tương đương với dầu thô và cao hơn than gấn 4-5 lần. Chất hữu cơ trong đá phiến dầu tạo thành một cấu trúc phân tử lớn phức tạp không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường.[1][9] Nó là hỗn hợp của một số loại khoáng vật khác nhau. Đối với đá phiến dầu đạt chất lượng thương mại, tỷ số chất hữu cơ:khoáng vật khoảng 0,75:5 đến 1,5:5.[9]

Thành phần chất hữu cơ trong đá phiến dầu bao gồm phần lớn ở dạng nền tiền bitum bitum, như xác tảo, bào tử, phấn hoa, thực vật cuticle và các mảnh vụn corky của cây thân thảo và thân gỗ, và mảnh vụn các tế bào có nguồn gốc hồ, biển và thực vật trên cạn.[9][10] Trong khi đá phiến dầu nguồn gốc lục địa chứa nhựa cây, bào tử và sáp cuticle, và các tế bảo của rễ và thân cây của các thực vật lục địa có mạch, Đá phiến dầu nguồn gốc hồ chứa chất hữu cơ giàu lipid có nguồn gốc từ tảo. Đá phiến dầu nguồn gốc biển chứa tảo biển, acritarch, và dinoflagellate biển.[9] Chất hữu cơ trong đá phiến dầu cũng chứa lưu huỳnh hữu cơ (trung bình khoảng 1,8%) và một tỷ lệ thấp nitơ.[1]

Có 3 lại chất hữu cơ chính (maceral) trong đá phiến dầu là telalginite, lamalginite, và bituminite. Telalginite được xác định là chất hữu cơ có cấu trúc bao gồm tảo đơn bào có thành dày như Botryococcus và Tasmanites. Lamalginite bao gồm tảo đơn bào có thành mỏng xuất hiện ở dạng tấm, nhưng thể hiện có ít hoặc không thể nhận ra cấu trúc sinh học. Dưới kính hiển vi, telalginite và lamalginite được nhận dạng rất dễ dàng bởi chúng phát màu vàng dưới ánh sáng huỳnh quang màu xanh dương hoặc tia tử ngoại. Bituminite phần lớn ở dạng vô định hình, không thể nhận ra cấu trúc sinh học, và thể hiện tính quỳnh quang tương đối thấp dưới kính hiển vi. Các thành phần hữu cơ khác như vitrinit và inertinit là các maceral có nguồn gốc từ chất humic của thực vật trên cạn. Các maceral này thường được tìm thấy với hàm lượng nhỏ trong hầu hết các loại đá phiến dầu.[2]

Khoáng vật trong đá phiến dầu bao gồm silicat hạt mịn và khoáng vật cacbonat như canxít, dolomit, siderit, thạch anh, rutil, Orthoclas, albit, anorthit, muscovit, amphibol, marcasit, limonit, thạch cao, nahcolit, dawsonit và alum. Một số mỏ đá phiến dầu cũng chứa các kim loại như vanadi, kẽm, đồng, urani...[1][3]

Thành phần tổng quát của đá phiến dầu[6]

Cấu trúc vô cơ	Bitumen	Kerogen
thạch anh; fenspat; sét (chủ yếu illit và clorit; cacbonat (canxít và dolomit); pyrit...	hoàn tan trong CS2	không hòa tan trong CS2; chứa urani, sắt, vanadi, niken, molybden...