석유는 지구상에서 플랑크톤이 등장하기 시작한 수억 년 전의 지질시대에서 만들어지기 시작했다. 중동지역의 석유는 대부분 공룡의 활동무대가 되었던 중생대 쥐라기와 백악기 때 만들어졌으나, 영국-노르웨이의 앞바다인 북해유전에서는 고생대층에서도 석유가 발견된다
석유의 기원에 관한 가장 일반적인 견해는 다음과 같다. 석유는 5억 년 동안 수생동식물의 유해가 물 밑바닥에 가라앉아 썩어서 된 진흙(부니)이라고 하는 유기기원설이다. 이 설에 의하면 지금으로부터 5억 년 전에는 지구의 표면이 모두 바닷물로 에워싸져 있었으며, 대양에서는 어류, 갑각류, 또는 무수한 플랑크톤이 서식하고 있었다. 그러나 이들은 지구 창생시대 대규모 지각변동 때에 모두 사장(死滅)되고, 이질(泥質)퇴적물과 섞여서 퇴적되었다. 대단히 많은 수의 생물의 사체는 공기와 접촉하지 않은 상태에서 이질퇴적물의 촉매작용과 특수 박테리아의 작용, 지층의 온도 및 압력으로 인해 장기간을 통하여 탄화수소로 변성했다는 것이다. 마치 참깨에 열과 압력을 가하면 참기름이 뽑아져 나오는 것과 비슷한 원리이다. 유기 기원설은 ①현재 석유가 발견되는 곳이 과거 얕은 바다나 호수 밑의 대부분 퇴적암이라는 점 ②석유 성분 속에 질소, 황 등 불순물이 함유되어 있는 바, 이는 유기물인 단백질 분해 시에 발생하는 것 등으로 볼 때 상당한 설득력을 지니고 있다.
한편 유기기원설과 대치되는 이론으로 무기기원설이 있다. 무기기원설에 의하면 석유는 지구 내부에 풍부하게 존재하고 있는 금속화합물이 물의 침투작용을 받아 고온•고압 하에서 반응하여 가스상에서 액상(液狀)의 탄화수소로 변화했다는 것이다. 이 가설에 의하면 석유는 지구 중심부에서 산출되는 것이다. 이 원리에 근거하여 실험실에서 석유를 생성하는 것이 가능하기 때문에 한때 이 이론은 상당한 권위를 갖기도 하였다.
탄화수소가 생성되더라도 유전으로 성립되기 위하여는 근원암, 저류암, 집유구조와 덮개암이 필수적으로 존재하여야 한다. 석유의 모태가 되는 근원암은 유기 물질을 석유 또는 천연가스로 전환시켜 주는 암석이다. 근원암은 그 안에 석유가 머물 수 있는 공간이 부족하다. 따라서 근원암에서 생성된 석유는 바깥으로 탈출하여 장기간에 걸쳐 이동하여 자신이 머물 수 있는 틈새를 많이 지닌 다공질 사암, 석회암 등의 암석에 스며든다. 이러한 암석을 저류암이라 하고, 저류암에 나 있는 틈새를 공극이라고 부르는데, 이 공극 내에 물과 원유 및 천연가스가 함께 채워지는 것이 보통이다. 지하 심층부에서 이런 암석들은 스펀지처럼 푹신푹신한 상태이기 때문에 기름을 머금을 수 있는 것이다. 석유는 주로 퇴적암을 채우는 것으로 알려져 있으나 간혹 화산암이나 화강암에 균열이 심하게 일어난 곳에도 석유가 모여 있을 수 있다.
한편 저류암 주변에는 석유가 다른 곳으로 빠져나가지 못하도록 매우 치밀한 암석으로 둘러싸여 있어야 석유가 그 안에 고여 있을 수 있다. 이를 덮개암이라고 한다. 이처럼 석유가 저류암 내에 모이게 할 수 있는 조건을 집유구조 또는 트랩이라 부르는데 자연계에서 트랩구조의 대부분은 배사구조이다. 배사구조는 바가지를 뒤집어 놓은 것으로 연상하면 이해가 빠르다. 트랩을 덮고 있는 덮개암은 균열이 없는 매우 치밀한 암석층이어야 하며, 대표적인 암석으로 셰일이나 이암(泥岩) 등이 이에 해당한다. 이와 같이 유전성립은 여러 조건이 동시에 갖추어져야 하는데 지구상에 이 조건을 구비하고 있는 장소는 한정되기 때문에 석유와 가스의 매장이 지역적으로 편재되어 있는 것이다. 석유는 성질이 물보다 가벼워 암석 내에서 상부로 떠오르려는 성질을 갖는다. 따라서 유전 내에서는 아래로부터 물, 원유, 가스의 순으로 쌓인다.
