石油中，碳、氢是主要的组成元素。碳一般占83%～87%，氢占11%～14%，原子比介于5.7～8.5之间。其他元素，如氧、氮、硫元素约占1%，很少达到2%～3%。还有磷、钒等微量元素和矿物质。这些元素或以游离状或组成化合物的形式存在于重的组分中。
自然界中，碳氢化合物种类繁多，已知的有数百种。但构成石油的碳氢化合物，从其对石油性质的影响和存在的广泛性来看，烷烃、环烷烃、芳香烃这三大系列的结构最为重要，也最为普遍。从溶有天然气的石油平均成分看，大体上烷烃占53%，环烷烃占31%，芳香烃占16%。
烷烃分子通式为CnH2n+2，是由碳原子以单键链状与氢原子结合构成的一类饱和、稳定的烃类化合物。没有支链的称为正构烷烃，按其碳原子数的增加分别定名为甲烷、乙烷……癸烷等；碳原子数超过十的即用数字直接表示，如十一烷、十二烷……二十烷等。有支链者，为异构烷烃。
环烷烃是碳原子以单键呈环状相连并与四周的氢原子结合构成。只含有一个环的环烷烃，通式是CnH2n。与烷烃相比，氢原子数目减少。但仍是一种饱和、稳定的化合物。环己烷和环戊烷是石油中最主要的环烷烃。环烷烃与烷烃在化学性质上比较接近，但构成的石油反映出的物理性质则有所差异。环烷烃比例大的石油比烷烃比例大的石油往往密度大、熔点和沸点高。
芳香烃分子通式为CnH2n-6（n≥6），碳原子以单键和双键呈环状与氢原子结合。主要特点是分子中至少有一个苯环，苯（C6H6）是最简单和典型的代表。这类烃多具有芳香气味。在石油中，常集中于重馏分内。
烷烃、环烷烃都属于比较稳定的饱和烃类，芳香烃属不饱和烃。但在链状烷烃的化合物中，有不饱和烃类化合物存在。这类化合物的碳原子呈链状以双键相连与氢原子结合，缺少两个氢原子的称为烯烃，分子通式为CnH2n，例如乙烯（C2H4）。碳原子间仍呈链状排列但以三键相连的结构，称为炔烃，其分子通式为CnH2n-2，如乙炔（C2H2）。这类不饱和烃在化学性质上比较不稳定。当较纯时，点火燃烧尚显平静，而一旦混有空气，就易发生猛烈爆炸。
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