Olie dannes ved kemiske og fysiske processer på havbunden, hvor bitte små flydende planter eller planteplankton er forbindelsen mellem solenergien og fossilt brændstof. Dødt plankton ophobes i stillestående, iltfrit vand og begraves af ler. De vigtigste perioder for oliedannelse er planteplanktonets storhedstider mellem ordovocium og devon og mellem jura og kridt. Oversvømmelse af det kontinentale lavland dannede lave have fulde af næringsstoffer tilført fra landjorden og levende organismer. Ophobning af deres rester i mudder på havbunden gav kulbrinteholdige aflejringer.

Omdannelsen af kulbrinter i de uigennemtrængelige mudderaflejringer til olie- og gas-forekomster i de gennemtrængelige, olieførende formationer foregår i flere etaper. Ved lave temperaturer forbrænder bakterier de organiske rester og danner metan samt en tyktflydende, sammensat kulbrinte kaldt kerogen. Temperaturen stiger, indtil kerogenet ved omkring 100°C nedbrydes til enklere, lettere kulbrinter. På dette trin dannes letflydende olie. Over 150°C opløses olien. Den bliver til gasarter og kulstof. Disse betingelser afhænger af varmestrømningen fra skorpen og kappen, som sammen med takten af sedimenternes indsynkning frembringer et sammenfald i tid og sted, hvor olie kan eksistere. Hvis de oprindelige aflejringer synker længere ned, end det kan passe med de øvrige betingelser, ødelægges deres mulighed for oliedannelse.

Under de rigtige betingelser kan olie undslippe til gennemtrængelige aflejringer som sandsten eller kalksten. Hvis bjergarten er gennemvædet af vand, kan olien bevæge sig op og væk fra de ugunstige forhold. For at danne et oliefelt må denne bevægelse stoppes af en fældestruktur, hvor flugtvejen til overfladen spærres af en barriere af en uigennemtrængelig bjergart. Hvis olien ikke stoppes af en fælde, når den overfladen, mister sine lettere bestand-dele, der giver en tjæreagtig cement i den olieførende bjergart og danner oliesand eller tjæresøer.

Fossile brændstoffer - kul og gas!
Kul og naturgas er ligesom olien en brøkdel af Solens energi, som biologiske og geologiske processer er gået sammen om at indfange. De opstår alle af ufuldstændigt nedbrudt plantevæv, som blev begravet under aflejringer og derefter langsomt opløst af varme og tryk. Det kræver energi at udvinde og forædle alle produkter, og disse fossile brændstoffer, som de passende kaldes, er den moderne civilisations vigtigste ressourcer.

Fotosyntese er den proces, hvorved en plante omdanner vand og kuldioxid til ilt og føde i form af kulbrinter. Energien til processen kommer fra sollyset, og plantens grønne farvestof klorofyl omdanner det til en form, som den kan bruge. Ca. 30 gange det samlede energiforbrug udvindes hvert år af Solens stråler og bindes i planterne. Der er dog balance. De planteædende dyrs forrådnelse, forbrænding og fordøjelse frigør omtrent samme mængde energi sammen med vand og kuldioxid.

Siden livets begyndelse har der været mange forstyrrelser i balancen, når organisk materiale ophobedes i iltfrie miljøer og blev dækket af aflejringer, før det kunne nedbrydes. Herved dannedes ikke blot fossile brændstoffer, men uligevægten tillod også, at ilt ophobedes i atmosfæren, og herved var vejen banet for udviklingen af dyrelivet.

Det meste af det begravede organiske materiale ligger for spredt i de sedimentære bjergarter til nogen sinde at blive udvundet.

Det fossile brændsels kendte forekomster udgør mindre end en tusindedel af den samlede mængde, og kul-, olie- og gasfelter repræsenterer kun de sammenfald i tid og sted, hvor takten i omdannelsen og mængden af bevaret materiale var særlig høj. Dette skete i stor stil for kul mellem karbon- og trias-perioderne.

Kulaflejringerne fra karbon danner et bånd langs ækvator gennem superkontinentet Pangæa, og deres dannelse i troperne er bekræftet af mangelen på årstidsbestemte årringe i forstenede træstammer i kullet. Derimod ligger kullene fra perm og trias på de sydlige kontinenter og i Asien i de daværende tempererede zoner. Derfor må de være dannet af en anden form for plantevækst end den i karbon.

I de fleste tilfælde blev kul dannet af tykke måtter af tørv bestående af materiale fra skove, som voksede i sumpe. Det optræder derfor i lag og indeholder store træagtige fossiler. Oven på hvert lag findes et mudret, undertiden marint, sediment, som højere oppe bliver til deltasandsten, der viser de skiftende deltaforhold. Det øverste af sandstenene er gennemtrævlet af rødder og udgjorde bunden for det næste kullag. Denne sekvens repræsenterer en rækkefølge af sammensynkning, aflejringsophobning, genopdukken og sumpdannelse og findes gentaget mange gange i hvert kulfelt. Der er to hovedteorier om dette mønsters opståen - en henviser til svingninger i havniveauet muligvis forbundet med smeltning og gendannelse af iskapper og gletschere. Den anden foreslår skiftende indsynkning af de aflejringsbækkener, som kulforekomsterne ophobedes i.

Kuldannelsen styres af temperatur og tryk og er forbundet med aflejringstakten. Det første trin er nedbrydelsen af cellulose i det bløde væv, hvorved der dannes metan (CH4), vand og kuldioxid, og der efterlades en tørvemasse beriget på træmateriale. Forhøjet tryk og temperatur uddriver mere vand og ilt og forhøjer kulstof-indholdet, og herved dannes brunkul og til sidst fede (bituminøse) kul. I områder med høj varmestrømning eller i store dybder uddriver de høje temperaturer metan og tilbage bliver antracit, som har det højeste kulstofindhold.

En stor del af verdens naturgasforekomster er dannet på denne måde, idet metan er steget op fra antracitten og blevet fanget i fælder i bjergartens strukturer.