Углерод и водород способны соединятся невероятным числом различных способов, порождая огромное число веществ, называемых углеводородами. В зависимости от числа молекул эти вещества могут быть газообразными, жидкими или твёрдыми. Нефть представляет собой смесь различных углеводородов, в которых преобладают алканы, нафтены и арены.
Алканы — наиболее простой класс органических веществ. Атомы углерода имеют возможность образовывать четыре связи — либо друг с другом, либо с водородом. В алканах задействованы все четыре связи и к атомам углерода присоединено максимально возможное число атомов водорода. По этой причине алканы также называют предельными углеводородами или насыщенными углеводородами. Примеры алканов — метан, этан, пропан, бутан, пентан.
Природный газ («сухой газ») состоит из 90 и более процентов метана (1 атом углерода, С1) и нескольких процентов этана (С2). Температура кипения метана — минус 161,5 градуса, этана — минус 88,6 градуса, поэтому обычно эти вещества представлены в газообразной форме. Продукты сгорания метан и этана бозопасны и экологичны — углекислота и водяной пар. По этой причине природный газ широко используется в бытовых газовых плитах.
Температура кипения пропана (С3) — минус 42,1 градус, бутана (С4) — минус 0,5 градуса. Эти вещества легко сжижаются при невысоком давлении. Сжиженным газом заправляют баллоны для дачных и туристических плит, он используется в качестве газомоторного топлива. Пропан-бутановую смесь можно наблюдать в прозрачных зажигалках. В смесях, предназначенных для холодной погоды, преобладает пропан, для тёплой погоды — бутан.
Пентан (С5) и более высокомолекулярные арены образуют бензиновую, керосиновую, дизельную и мазутную фракции.
Нафтены — более сложные по строению вещества, в них атомы углерода соединяются в циклическое кольцо. Слово происходит от греческого náphtha (нефть), поскольку нафтены впервые были обнаружены русским химиком Владимиром Васильевичем Марковниковым в нефти бакинских промыслов. Названия нафтенов образуются из названий алканов с приставкой «цикло-» — циклопропан, циклобутан, циклопентан. Циклометан и циклоэтан не существуют, поскольку одного или двух атомов углерода недостаточно для образования кольца.
Арены (ароматические углеводороды) были названы так потому, что первые найденные представители этого класса веществ обладали приятным запахом. Позднее оказалось, что многие арены пахнут весьма скверно, но название уже устоялось. Особенностью этого класса веществ является наличие в их структуре так называемого «бензольного кольца», изображаемого в виде шестиугольника с окружностью внутри. «Бензольное кольцо» стало символом нефтехимии, и неспроста — ароматические углеводороды служат важнейшим сырьём органического синтеза.
Кроме перечисленных веществ, нефть содержит асфальто-смолистые соединения, серу и соли металлов. Состав нефтей разных месторождений может очень сильно отличаться. Например, североморский сорт Brent содержит 0,37% серы, а поставляемый из Арабских Эмиратов Dubai Crude — 2% серы.