Tri glavna oblika fosilnih goriva - ugljen, nafta i prirodni plin - nastala su tijekom razdoblja karbona, koje je ime dobilo po ugljiku, zajedničkom elementu koji se nalazi u svim fosilnim gorivima. Nastali su od organskih ostataka biljaka i životinja koji su pretvoreni u ugljen, naftu ili prirodni plin izlaganjem toplini i pritisku Zemljine kore tijekom milijuna godina. Organski korijen fosilnih goriva objašnjava prisutnost ugljika, ali i drugi elementi, poput vodika, sumpora, dušika i kisika, također su sastavni dio fosilnih goriva.
Ugljen
Prema Penn State College of Earth and Mineral Sciences, ugljen se sastoji od ugljika, vodika, dušika, sumpora i kisika. Postoje tri vrste ugljena, od kojih svaka ima svoj kemijski sastav. Antracit ima najviše ugljika, dok je lignit najniži u ugljiku, ali najveći u vodiku i kisiku. Sadržaj bitumenskog ugljena nalazi se između antracita i lignita. Ugljen također sadrži nešto minerala, a to su obično kvarc, pirit, minerali gline i kalcit. Elementi poput željeza i cinka koji ostaju u tresetu ili slojevi raspadnutih biljaka, koji se na kraju formiraju u ugljen, mogu se kombinirati da bi stvorili ove minerale.
Prirodni gas
Poput ugljena, i prirodni plin sastoji se od ugljika, vodika, dušika, sumpora i kisika. Nema mineralni sadržaj poput ugljena, a umjesto tvrde, crne tvari, prirodni je plin lakši od zraka, prema Kalifornijskoj komisiji za energiju. Nema miris, a ne možete ga vidjeti, a nalazi se u blizini podzemne nafte. Elementi ugljika i vodika u prirodnom plinu obično se kombiniraju i tvore plin metan ili CH4, koji je vrlo zapaljiv.
Ulje
Ulje ili nafta također se sastoji od ugljika, vodika, sumpora, kisika i dušika, ali je u tekućem obliku. I nafta i prirodni plin nalaze se ispod zemlje između nabora stijena ili unutar poroznih stijena koje drže ulje. Kad dijatomeji, morska bića poput fitoplanktona, umru i padnu na morsko dno, na kraju se zakopaju u sediment i kamenje. Pod velikim pritiskom i toplinom ti slojevi dijatomeja postaju nafta ili prirodni plin. Ako su uvjeti pretopli, veća je vjerojatnost da će ulje postati plin. Ulje se kopa, a zatim rafinira u benzin, petrolej ili druge proizvode.
Izgaranje
Izgaranje se događa kada se fosilna goriva izgaraju, a elementi u fosilnim gorivima oksidiraju ili se kombiniraju s kisikom. Kada ugljen sagorije, ugljik oksidira i stvara ugljični dioksid ili CO2. Slično tome, dušik postaje dušikov oksid ili NO2, a sumpor sumpor-dioksid ili SO2. Sadržaj minerala u ugljenu i ulju postaje pepeo.