原油中的化合物基本上是碳氫化合物或取代的碳氫化合物，按元素組成來看，含有85％–90％的碳和10％–14％的氫，其余的為非碳氫化合物-硫（0.2％–3％ ）、微量氮（<0.1–2％）、氧（1％–1.5％）和鎳、釩、砷、鉛和其他金屬的有機金屬化合物（百萬分之幾或十億分之幾的濃度） 。由于地層中含有水，或在鉆井和生產過程中會注入水和化學品，無機鹽如氯化鎂、氯化鈉和其他無機鹽也會與井中的原油伴生。
1) 烴類化合物
僅由碳和氫組成的化合物稱為烴。烴按大類分為鏈烷烴、環烷烴、芳烴和烯烴。原油包含不同比例的這些碳氫化合物，但烯烴除外，烯烴是在加工過程中產生的。
鏈烷烴屬于飽和烴。飽和烴是烴的碳原子的四個鍵與四個單獨的原子結合的一種化合物。例如：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷，其通用分子式為CnH2n+2，其中n是該化合物中的碳原子數。這些烴的同系物稱為烷烴。
烷烴從甲烷開始，甲烷的化學式為CH4。與芳族化合物和烯烴相比，烷烴相對反應性不高。在室溫下，烷烴不受強發煙硫酸、強堿或強氧化劑如鉻酸的影響。但在陽光下用氯，或在催化劑存在下用溴可緩慢地進行取代反應。鏈烷烴有正鏈烷烴和異鏈烷烴兩種。正鏈烷烴屬于直鏈化合物，異鏈烷烴屬于支鏈化合物。正鏈烷烴和異鏈烷烴具有相同的分子式（即相同數目的碳和氫原子），但是由于異構性，它們的物理和化學性質差異很大。正鏈烷烴的異構體數目隨鏈烷烴中碳原子數目的增加而增加。例如，碳原子數為5、6和8的鏈烷烴的異鏈烷烴分別為3、5和18。異鏈烷烴比正鏈烷烴更具反應性，并且在車用汽油中希望有異鏈烷烴。正鏈烷烴可以通過熱解或催化過程轉化為異鏈烷烴，此過程稱為異構化反應。
烯烴屬于不飽和烴，即分子式中兩個碳原子之間存在雙鍵。通式為CnH2n，該同系物的最小成員為乙烯C2H4。烯烴具有很高的反應性，可以自身反應生成單烯烴。烯烴容易與酸、堿、鹵素、氧化劑等發生反應。原油中不含烯烴，但通過正鏈烷烴的熱催化分解或脫氫而生成。像鏈烷烴一樣，烯烴可以是直鏈（正構）或支鏈（異構）的烴。烯烴可以通過與溴或碘反應中的溴或碘的數量來測定。它們在氧氣存在下很容易轉化為二烯烴，并形成膠狀物質。存在于石油產品的烯烴可以通過硫酸吸收來脫除。
環烷烴是具有類似烯烴分子通式CnH2n的環狀飽和烴，也稱為環烷烴。由于它們是飽和的，因此相對不活潑，就像鏈烷烴一樣。環烷烴是用于生產芳族化合物和優質潤滑油基礎油的理想化合物。
與其他類型的烴相比，芳烴（通常稱為苯）在化學上非常活躍。它們的通式為CnH2n-6。這些烴極易被氧化生成有機酸。環烷烴可以在鉑催化劑存在下脫氫生成芳烴。低碳芳烴，例如苯、甲苯和二甲苯，是許多石化產品的良好溶劑和前體。石油產品中的芳烴可通過用苯酚，糠醛和二乙二醇等溶劑萃取來分離。
2) 復雜碳氫化合物
原油中還包含大量的烴類，這些烴不屬于鏈烷烴、烯烴、環烷烴或芳烴類，但可以是任何兩個或更多族的鏈烷烴、環烷烴或芳烴的組合基團。通過連接兩個或多個環烷烴環或將環烷烴和芳族環、具有芳族環的烷烴鏈（烷基-芳族化合物）等結合，可以形成大量復雜的烴，比如萘烷，萘和聯苯。較重的原油餾分包含這些類型的碳氫化合物。多核（多環）芳烴或多核芳烴（PNA）在原油及其尾油產品中是眾所周知的。PNA是焦的前體，由于熱效應而形成。多核芳烴即使通過深度加氫裂化也無法輕易分解。
3) 非烴或雜原子化合物
碳氫化合物中常見的雜原子是硫、氧、氮和金屬原子。硫化合物再原油中以硫醇、一硫化物和二硫化物形式存在，通式為R-SH、R-S-R1、R-S-S-R1，其中R和R1為烷基。硫醇具有很高的腐蝕性，而單硫和二硫化物無腐蝕性。
環狀硫化合物的實例是噻吩和苯并噻吩。硫化氫（H2S）氣體以溶解形式與原油結合，并在加熱時釋放。H2S在高溫和濕氣存在下具有腐蝕性。含大量H2S的原油稱為含硫原油。石油燃料產品中存在的硫在燃燒過程中還會形成各種硫氧化物（SOx），它們是極強的環境污染物。H2S可以通過胺溶液中吸收從氣體中脫除。
在輕質餾出物中，硫可能以硫化氫、硫醇和噻吩的形式存在，但在較重的原油餾分中，80％–90％的硫通常存在于烴的復雜環結構中。在這種結構中，硫原子非常穩定且無反應性。因此，如果沒有破壞性反應（例如：劇烈的熱反應或催化反應），則無法除去重質石油中的硫。如今，硫在精煉過程中被回收并作為產品出售。硫對多種催化劑也有中毒作用。
碳氫化合物中的氮化物通常存在于原油的較重組分中。這些是造成顏色和顏色不穩定以及某些催化劑中毒的原因。石油燃料中的氮會導致氮氧化物（NOx）的產生，而氮氧化物也是大氣中的強污染物。氮可以通過催化加氫從石油產品中脫除。像硫一樣，如果不發生嚴重的裂化或氫化反應，則無法除去較重石油中的氮。
含氧化合物：原油中可能含有引起腐蝕的含氧化合物，例如環烷酸、苯酚和甲酚。氧也對許多催化劑有毒。可以通過催化加氫除去氧。過量的氧化合物甚至可能導致爆炸。
原油中還發現了釩、鎳、鉛、砷等金屬化合物。釩和鎳以有機金屬化合物的形式存在，主要存在于較重的原油餾分中，其中金屬原子以卟啉的復雜形式分布在化合物中。包含這些金屬化合物的石油燃料可能會損壞燃燒器、管路和燃燒室的壁。
