שלושת הצורות העיקריות של דלקים מאובנים - פחם, נפט וגז טבעי - נוצרו בתקופת הפחמן, 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 במשך מיליוני שנים. השורש האורגני של דלקים מאובנים מסביר את הימצאותם של פחמן, אך אלמנטים אחרים, כמו מימן, גופרית, חנקן וחמצן הם גם מרכיבים של דלקים מאובנים.
פֶּחָם
על פי מכללת פן סטייט למדעי כדור הארץ ומינרלים, פחם 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 ובחמצן. התוכן של פחם ביטומני הוא בין אנתרציט לליגניט. לפחם יש גם תכולת מינרלים מסוימת, שהיא בדרך כלל קוורץ, פיריט, מינרלים מחימר וקלציט. אלמנטים כמו ברזל ואבץ שנותרו בכבול, או שכבות של צמחים מפורקים, שנוצרים בסופו של דבר לפחם, עשויים להשתלב וליצור מינרלים אלה.
גז טבעי
כמו פחם, גז טבעי מורכב מפחמן, מימן, חנקן, גופרית וחמצן. על פי ועדת האנרגיה בקליפורניה, אין תכולת מינרלים כמו פחם, ובמקום חומר שחור וקשה, הגז הטבעי קל יותר מאוויר. אין לו ריח ואתה לא יכול לראות אותו, והוא נמצא ליד נפט תת קרקעי. יסודות הפחמן והמימן בגז הטבעי משולבים בדרך כלל ויוצרים גז מתאן, או CH4, שהוא דליק מאוד.
שמן
נפט, או נפט, מורכב גם מפחמן, מימן, גופרית, חמצן וחנקן, אך הוא נמצא בצורת נוזל. גם נפט וגם גז טבעי נמצאים מתחת לאדמה בין קפלי סלעים או בתוך סלעים נקבוביים המחזיקים את הנפט. כאשר דיאטומים, יצורי ים כמו פיטופלנקטון, מתים ונופלים לקרקעית הים, הם נקברים בסופו של דבר במשקעים וסלעים. בלחץ ובחום גדולים, שכבות דיאטומים אלה הופכות לשמן או לגז טבעי. אם התנאים חמים מדי, סביר יותר שהשמן יהפוך לגז. הנפט ממוקש ואז מזוקק לבנזין, נפט או מוצרים אחרים.
שְׂרֵפָה
הבעירה מתרחשת כאשר נשרפים דלקים מאובנים, והיסודות בדלקים המאובנים מתחמצנים או משתלבים עם חמצן. כשנשרף פחם, הפחמן מתחמצן ויוצר פחמן דו חמצני, או CO2. באופן דומה, חנקן הופך להיות תחמוצת חנקן, או NO2, וגופרית הופכת לגופרית דו-חמצנית, או SO2. תכולת המינרלים המצויים בפחם ובשמן הופכים לאפר.