Petroleum eller råolja är en komplex blandning av kolväten och andra kemikalier. Kompositionen varierar mycket beroende på var och hur petroleum bildades. I själva verket kan kemisk analys användas för att fingeravtrycka källan till petroleum. Rå petroleum eller råolja har emellertid karakteristiska egenskaper och sammansättning.
Det finns fyra huvudtyper av kolväten i råolja.
Kolväten är främst alkaner, cykloalkaner och aromatiska kolväten.
Även om det finns betydande variationer mellan förhållandena mellan organiska molekyler är petroleumens elementära sammansättning väl definierad:
De vanligaste metallerna är järn, nickel, koppar och vanadin.
Petroleumens färg och viskositet varierar markant från en plats till en annan. De flesta petroleum har mörkbrun eller svartaktig färg, men förekommer också i grönt, rött eller gult.