De tre vigtigste former for fossile brændstoffer - kul, olie og naturgas - blev dannet i den kulstofperiode, der får sit navn fra kulstof, et almindeligt element, der findes i alle fossile brændstoffer. De dannedes af organiske rester af planter og dyr, der blev omdannet til kul, olie eller naturgas ved udsættelse for varme og trykket fra jordskorpen gennem millioner af år. Den organiske rod af fossile brændstoffer forklarer tilstedeværelsen af kulstof, men andre grundstoffer, såsom brint, svovl, nitrogen og ilt er også komponenter i fossile brændstoffer.
Kul
Ifølge Penn State College of Earth and Mineral Sciences består kul af kul, brint, nitrogen, svovl og ilt. Der er tre typer kul, som hver har sin egen kemiske sammensætning. Antracit har mest kulstof, mens brunkul er det laveste i kulstof, men højest i brint og ilt. Indholdet af bituminøst kul er imellem antracit og brunkul. Kul har også noget mineralindhold, som almindeligvis er kvarts, pyrit, lermineraler og calcit. Elementer som jern og zink, der forbliver i tørven eller lag af nedbrudte planter, der til sidst dannes til kul, kan kombineres for at skabe disse mineraler.
Naturgas
Ligesom kul består naturgas af kul, brint, nitrogen, svovl og ilt. Det har ikke mineralindhold som kul, og i stedet for et hårdt, sort stof er naturgas lettere end luft, ifølge California Energy Commission. Det har ingen lugt, og du kan ikke se det, og det findes i nærheden af underjordisk olie. Kulstof- og brintelementerne i naturgas kombineres typisk til dannelse af metangas eller CH4, som er meget brandfarlig.
Olie
Olie eller råolie består også af kulstof, brint, svovl, ilt og nitrogen, men det er i flydende form. Både olie og naturgas findes under jorden mellem fold af klipper eller inde i porøse klipper, der holder olien. Når diatomer, havdyr som fytoplankton, dør og falder til havbunden, begraves de til sidst i sediment og sten. Under stort tryk og varme bliver disse lag af kiselalger olie eller naturgas. Hvis forholdene er for varme, er det mere sandsynligt, at olien bliver gas. Olie udvindes og raffineres derefter til benzin, petroleum eller andre produkter.
Forbrænding
Forbrænding opstår, når fossile brændstoffer forbrændes, og grundstofferne i de fossile brændstoffer oxideres eller kombineres med ilt. Når kul forbrændes, oxiderer kulstofet sig til dannelse af kuldioxid eller CO2. På lignende måde bliver nitrogen nitrogenoxid eller NO2, og svovl bliver svovldioxid eller SO2. Mineralindholdet i kul og olie bliver til aske.