Petrol temelde karbon ve hidrojen elementlerinin oluşturduğu karmaşık moleküler yapılar içerir. Ham petrolün kimyasal bilesimi oldukça karmaşıktır. Ham petrol farklı hidrokarbon grupları içeren kimyasal maddelerden oluşur. Ham petrolün renk ve görünümü bileşimine bağlı olarak değişir. Genellikle siyah veya koyu kahverenginde olsa da sarımsı veya kırmızımsı da olabilir. Bazı durumlarda su ve kum ile karışmış durumda da bulunabilir.

Ham petrol içerdiği elementlere göre analiz edildiğinde, Karbon %81-87, Hidrojen %10-14, Kükürt %0,05-6, Azot %0,1- 0,2,  Oksijen %0,05-2 içermektedir.