תוֹכֶן
שלוש הצורות העיקריות של דלקים מאובנים - פחם, נפט וגז טבעי - נוצרו במהלך התקופה הפחמיתית, שמקבלת את שמה מפחמן, יסוד נפוץ שנמצא בכל הדלקים המאובנים. הם נוצרו משרידים אורגניים של צמחים ובעלי חיים שהוסבו לפחם, נפט או גז טבעי על ידי חשיפה לחום ולחץ קרום כדור הארץ לאורך מיליוני שנים. השורש האורגני של דלקים מאובנים מסביר את נוכחותו של פחמן, אך אלמנטים אחרים, כמו מימן, גופרית, חנקן וחמצן הם גם מרכיבים של דלקים מאובנים.
פחם
על פי נתוני מכללת פן סטייט למדעי כדור הארץ והמינרלים, הפחם מורכב מפחמן, מימן, חנקן, גופרית וחמצן. ישנם שלושה סוגים של פחם, שלכל אחד מהם הרכב כימי משלו. לאנתרציט יש הכי הרבה פחמן, ואילו ליגניט הוא הנמוך ביותר בפחמן, אך הגבוה ביותר במימן וחמצן. התוכן של פחם ביטומני הוא בין אנתרציט לליגניט. בפחם יש גם מעט מינרלים, שהם בדרך כלל קוורץ, פיריט, מינרלים מחימר וקלציט. אלמנטים כמו ברזל ואבץ שנשארים בכבול, או שכבות של צמחים מפורקים, שבסופו של דבר נוצרים לפחם, עשויים להשתלב כדי ליצור מינרלים אלה.
גז טבעי
בדומה לפחם, גם הגז הטבעי מורכב מפחמן, מימן, חנקן, גופרית וחמצן. אין לו תכולת מינרלים כמו פחם, ובמקום חומר שחור וקשה, הגז הטבעי הוא קל יותר מהאוויר, על פי נציבות האנרגיה בקליפורניה. אין לו ריח ואינך יכול לראות אותו, והוא נמצא ליד נפט תת-קרקעי. אלמנטים של פחמן ומימן בגז טבעי מתחברים בדרך כלל ליצירת גז מתאן או CH4 שהוא דליק מאוד.
שמן
נפט, או נפט, מורכב גם מפחמן, מימן, גופרית, חמצן וחנקן, אך הוא נמצא במצב נוזלי. גם נפט וגם גז טבעי נמצאים מתחת לאדמה בין קפלי סלעים או בתוך סלעים נקבוביים המחזיקים את השמן. כשדיאטומים, יצורי ים כמו פיטופלנקטון, מתים ונופלים על קרקעית הים, הם קבורים בסופו של דבר במשקעים ובסלע. תחת לחץ וחום רב הופכות שכבות הדיאטומים הללו לשמן או לגז טבעי. אם התנאים חמים מדי, סביר יותר שהשמן יהפוך לגז. מכרות נפט ואז מזוקקים לבנזין, נפט או מוצרים אחרים.
בעירה
הבעירה מתרחשת כאשר דלקים מאובנים נשרפים, והיסודות בדלקים המאובנים מתחמצנים, או משתלבים עם חמצן. כאשר נשרפים פחם, הפחמן מתחמצן ליצירת פחמן דו חמצני, או CO2. באופן דומה, חנקן הופך לתחמוצת החנקן, או NO2, והגופרית הופכת להיות דו תחמוצת הגופרית, או SO2. תכולת המינרלים שנמצאת בפחם ובשמן הופכת לאפר.