ปิโตรเลียมเป็นเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ เกิดจากการกลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ของอินทรีย์วัตถุ เช่น แพลงก์ตอนสัตว์และสาหร่าย ซึ่งซากดึกดำบรรพ์จำนวนมากของอินทรียวัตถุเหล่านี้ยังอยู่ ณ ก้นทะเลหรือทะเลสาบ ผสมกับตะกอน และถูกฝังอยู่ใต้สภาวะที่ไม่มีออกซิเจน เมื่อมีการทับถมกันสะสมเพิ่มขึ้นที่ก้นทะเลหรือทะเลสาบ ก็จะเกิดความร้อนและความดันอย่างรุนแรงเกิดขึ้นที่ชั้นต่ำกว่า กระบวนการนี้ทำให้อินทรีย์วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลง โดยขั้นแรกจะเปลี่ยนเป็นเคอโรเจน ซึ่งพบในหินน้ำมันทั่วโลก จากนั้นเมื่อเคอโรเจนได้รับความร้อนมากขึ้น ก็จะเปลี่ยนแปลงต่อเป็นไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวและแก๊สผ่านกระบวนการชื่อ ช่วงการกำเนิด การกำเนิดปิโตรเลียมเกิดขึ้นจากการสลายไฮโดรคาร์บอนด้วยความร้อนในปฏิกิริยาดูดความร้อนเป็นหลักที่อุณหภูมิ และ/หรือ ความดันสูง หลายปฏิกิริยา
ในสภาพแวดล้อมซึ่งอุดมไปด้วยสารอาหาร อย่างอ่าวเม็กซิโกและทะเลทีทีสโบราณ ซึ่งอินทรีย์วัตถุปริมาณมากที่จมลงสู่ก้นมหาสมุทรเกินกว่าอัตราที่เกิดการย่อยสลาย อันส่งผลให้อินทรีย์วัตถุปริมาณมากถูกฝังอยู่ใต้สิ่งที่ทับถมตามมาอย่างชั้นหินที่ก่อตัวขึ้นจากโคลน ตะกอนอินทรีย์วัตถุมหาศาลนี้ภายหลังจะถูกความร้อนและเปลี่ยนแปลงภายใต้แรงดันเป็นน้ำมัน นักธรณีวิทยาศึกษาพบพิสัยอุณหภูมิซึ่งน้ำมันก่อตัว โดยต่ำกว่าอุณหภูมิต่ำสุดซึ่งน้ำมันจะยังคงอยู่กักเก็บไว้ในรูปของเคอโรเจน และสูงกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่น้ำมันจะเปลี่ยนเป็นแก๊สธรรมชาติผ่านกระบวนการแยกสลายด้วยความร้อน บางครั้ง น้ำมันอาจกำเนิดที่ความลึกมาก ซึ่งอาจมีการเคลื่อนตัวและถูกกักไว้ในระดับที่ตื้นกว่ามาก
นักธรณีวิทยาจำนวนน้อยยึดถือสมมติฐานที่ว่าปิโตรเลียมกำเนิดจากอนินทรีย์วัตถุ โดยมีหลักการว่า ไฮโดรคาร์บอนน้ำหนักโมเลกุลมากที่กำเนิดขึ้นจากอนินทรีย์วัตถุเกิดขึ้นภายในโลก และเป็นแหล่งสะสมปิโตรเลียมสำคัญ สมมติฐานดังกล่าวเดิมเสนอโดย Nikolai Kudryavtsev และ Vladimir Porfiriev ในคริสต์ทศวรรษ 1950 และล่าสุด โทมัส โกลด์ เสนอแนวคิดชีวภาคร้อนใต้ทะเลลึก ที่คล้ายกัน แต่สมมติฐานดังกล่าวมิได้อธิบายเส้นทางการสังเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งจำเป็นต่อการนำพาอนินทรีย์สารวัตถุไปใต้ผิวน้ำมัน, การสังเกตพบร่องรอยทางอินทรีย์ในเคอโรเจนและน้ำมัน และไม่มีแหล่งสะสมน้ำมันถูกพบตามสมมติฐานดังกล่าว