Il petrolio è una miscela di numerosi componenti, gassosi, liquidi e solidi che si è accumulata e conservata nel corso dei tempi geologici in un volume circoscritto del sottosuolo chiamato giacimento. La tesi oggi più accreditata sull'origine del petrolio prevede che si sia generato dalla materia organica sia di origine animale che vegetale anche se, in passato, sono state ipotizzate molte teorie sulla natura inorganica dell'oro nero. A grandi linee la composizione del petrolio dipende in primo luogo dal tipo di sostanza organica da cui si è generato, dalle condizioni di temperatura e tempo a cui questa è stata sottoposta e dalle complesse interazioni con il sedimento in cui la sostanza organica si è accumulata.

L'esplosione della vita sulla Terra ha inizio circa un miliardo di anni fa con la comparsa degli organismi sessuati; agli inizi del paleozoico (500-600 milioni di anni fa) l'ossigeno nell'atmosfera raggiunge all'incirca i livelli attuali. La sostanza organica che può aver generato il petrolio, quindi, è quella che eventualmente si è accumulata nelle rocce sedimentarie formatesi dal paleozoico ad oggi (vi sono anche giacimenti più antichi ma sono rari). Sebbene a un'atmosfera ricca di ossigeno corrisponda una maggiore attività biologica, di contro la presenza di ossigeno limita la possibilità che la materia organica possa preservarsi in quanto può essere facilmente ossidata e restituita all'atmosfera sottoforma di CO2 (anidride carbonica). Solo una piccola quantità (0.01-0.1%) del carbonio organico sfugge ai processi di ossidazione e viene preservata nelle rocce sedimentarie. Se la concentrazione del carbonio organico è maggiore dello 0.5% per le rocce argillose e dello 0.3% per le rocce calcaree il sistema sedimento-sostanza organica può essere definito roccia madre (source rock).

Le source rocks sono però potenzialmente produttive per il petrolio solo se nel corso della loro complessa storia geologica sono sottoposte a temperature tali da permettere un giusto grado di maturazione. Sottratta agli agenti ossidanti quindi la sostanza organica segue il destino dei sedimenti in cui essa è stata inglobata. Le rocce madri subiscono un incremento di temperatura, frequentemente compreso tra i 25° e 35° C per chilometro, quando sprofondano nella crosta terrestre. Questo può avvenire o per effetto della deposizione di sedimenti più giovani e/o a causa della sovrapposizione tettonica di altri corpi rocciosi nel corso di un orogenesi.

La maturazione della materia organica si esplica anche per effetto dell'attività microbica, già nei primi centimetri di sedimento. Parte della sostanza organica viene utilizzata come nutrienti dai microrganismi (zuccheri e aminoacidi) mentre un'altra parte, costituita da monomeri più stabili, è formata da molecole chimicamente reattive che tendono a combinarsi tra loro e a costituire nuove macromolecole dette geopolimeri (come il kerogene) le quali attraverso ulteriori e profonde modificazioni saranno capaci di generare il petrolio. Con l'aumento della temperatura (da circa 50° C e fino a 150° C, a seconda del tipo di kerogene e del tempo a disposizione) in seguito ad ulteriori approfondimenti dei sedimenti, il kerogene fino a questo stadio di maturazione ricco in idrogeno (H) e ossigeno (O), perde via via questi elementi arricchendosi in carbonio (C). La maturazione termica della sostanza organica si riflette, fra l'altro, nel mutamento della composizione chimica, nelle variazioni della struttura molecolare e nei rapporti H/C e O/C. Inseguito ad un ulteriore aumento della temperatura si ha dapprima un incremento della produzione di petrolio e successivamente, per effetto di reazioni chimiche indotte dal calore (craking), si ha la completa rottura delle macromolecole e formazione di gas e non più di petrolio. La massima produzione di petrolio si ottiene quando si raggiunge un giusto grado di maturazione della sostanza organica e questo avviene in un intervallo compreso tra 60°-100° C come limite inferiore e 100° -150° C come limite superiore. Il fenomeno dipende sia dal tipo di sostanza organica che dal fattore tempo.

Le analisi chimiche utili per determinare le aree favorevoli alla formazione del petrolio sono quelle che permettono di individuare le rocce che contengono quantità di carbonio organico sufficiente a generare petrolio, il tipo di kerogene e quindi di sostanza organica da cui si è generato e il grado di maturazione a cui la sostanza organica è stata sottoposta. Esistono numerose tecniche analitiche di base che consentono di determinare i parametri suddetti o parte di essi.

La prima analisi da eseguire è quindi legata alla determinazione del carbonio organico (TOC). La roccia viene polverizzata scaldata e ossidata; dalla anidride carbonica (CO₂) sviluppata si risale al contenuto totale di carbonio che comprende sia il carbonio organico che il carbonio fissato nei carbonati inorganici; un campione identico, trattato con acido cloridrico (HCl), permette di calcolare il CO₂ derivato dai soli carbonati inorganici. La differenza tra i due valori è la CO2 derivata dal carbonio organico.

Una tecnica che permette di valutare con un ottimo grado di precisione quantità, qualità e grado di maturazione della sostanza organica presente in una roccia (in altre parole il potenziale genetico) prende il nome di Rock Eval (Abbreviazione di Rock Evaluation) e utilizza uno strumento molto pratico. L'analisi consiste nel riscaldare il campione di roccia, in ambiente privo di ossigeno, per temperature crescenti fino a 550° C. Nel primo stadio, a bassa temperatura, volatilizza il bitume già presente nella roccia; nel secondo stadio, a temperatura più elevata, viene scisso il kerogene (pirolisi). In questa fase si riproduce artificialmente il processo di generazione del petrolio dal kerogene. Inoltre si possono ricavare degli indici di idrogeno e ossigeno utili sia per definire il grado di maturazione che il tipo di kerogeno e quindi della sostanza organica da cui esso deriva. La gascromatografia è una tecnica analitica che consente di suddividere i componenti organici presenti in una roccia madre e, sulla base delle loro caratteristiche, permette di ottenere informazioni sulla maturità dell'olio oltre che sul tipo di sostanza organica e sul suo ambiente di deposizione. L'applicazione di modelli geologici-geochimici che tengano conto dei numerosi parametri interdipendenti in gioco, permette di giungere ad una stima qualitativa e quantitativa del petrolio generato e di determinare le aree dove è più probabile il suo accumulo. Le zone dove le rocce madri sono giunte alla profondità necessaria per la maturazione costituiscono le depressioni da cui si genera il petrolio; in esse ed attorno a esse si riscontra la massima frequenza di giacimenti petroliferi.