化石燃料是埋藏的有机物在漫长的地质年代中转化形成的可燃物质，主要包括煤、石油和天然气。它们为供暖、交通运输、工业生产和发电提供能量，同时也是化工原料。由于形成速度远低于开采和消耗速度，化石燃料被归为不可再生能源。其界定依据是地质成因，而不只是化学成分或可燃性。(eia.gov)
形成与地质赋存
形成化石燃料的有机物，其所含化学能有很大一部分最终来自光合作用。埋藏使部分有机物得以保存，随后在热和压力的作用下发生转化。煤主要由沼泽环境中积累的陆生植物形成，而石油则主要来源于水生环境中沉积的生物。这些过程历经数百万年。(eia.gov)
煤的形成过程称为煤化作用，它使埋藏的植物物质逐渐变得更致密、更干燥，含碳量也更高。煤的主要煤阶包括褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤。煤阶反映了转化程度，并与含碳量和热值的差异相关；因此，煤并不是化学性质均一的燃料。(usgs.gov)
石油和天然气赋存于地下岩层中，并不一定存在于空旷的地下洞穴内。它们通过陆上和海上钻井开采，其中也包括开采渗透性较低岩层的钻井。天然气还以煤层气的形式赋存于煤层中。矿藏的分布和开采难易程度取决于其地质学特征，这也是不同地区开采方法和成本各异的原因之一。(eia.gov)
主要类型与性质
煤是一种可燃沉积岩，含有富碳有机物和矿物组分。它用于发电和工业供热；适宜的烟煤还可用于生产钢铁冶炼所需的焦炭。水分和矿物含量会影响煤燃烧时可利用的热量以及产生的残留物。(eia.gov)
石油在炼制前通常称为原油，是烃的混合物。炼油厂将其分离并转化为汽油、柴油、煤油及其他产品。石油衍生材料也有非燃料用途，包括润滑剂、蜡、建筑材料和化工原料。因此，消耗石油并不总是意味着立即将其燃烧。(eia.gov)
天然气主要由甲烷组成。与煤或石油产品相比，燃烧天然气产生单位能量时，通常排放更少的二氧化碳和常规大气污染物。不过，在生产、加工、储存或运输过程中逸出的甲烷本身就是一种强效温室气体。近期形成的生物质也可产生化学性质相似、但并非来自化石的甲烷，沼气就是一例。(eia.gov)
开采、加工与使用
煤通过露天开采或地下开采获得。露天开采需移除煤层上方的覆盖物，而较深的煤藏则需通过地下采矿工程开采。石油和天然气通过钻井生产；水平钻井和水力压裂扩大了页岩及其他致密地层中的油气产量。这些技术提高了资源的可开采性，但也需要设备、土地以及对生产废弃物的管理。(eia.gov)
石油炼制首先进行蒸馏，按沸点分离出不同馏分。后续的转化工艺则改变这些馏分的组成。裂化将较大的烃分子分解为较小的分子，通常借助催化作用；之后通过处理和调和，制成符合规定性能要求的成品燃料。因此，炼油结合了物理分离与化学转化，而不只是过滤原油。(eia.gov)
化石燃料属于一次能源，而电是由一次能源转化而来的二次能源形式。比较能源统计数据时，这一区别很重要：发电厂消耗的燃料和输送给用户的电量，衡量的是能源系统中不同阶段的数量。对于原本以桶、立方英尺或吨计量的不同燃料，可以将其能量折算为统一的热量单位，以便进行比较。(eia.gov)
历史与经济意义
燃煤蒸汽机为工业革命提供了重要动力，为工厂、磨坊和矿山供应机械动力。詹姆斯·瓦特所推动的改进减少了煤耗，并拓宽了蒸汽动力的应用范围。此后，化石燃料成为能源系统的核心；一个多世纪以来，石油、天然气和煤一直在美国能源结构中占据主导地位，尽管各自所占的比例有所变化。(blog.sciencemuseum.org.uk)
资源量估算必须与储量区分开来。在油气评估中，资源量包括依据地质证据估计存在或可采的资源。储量则是已经发现、预计在特定条件下可进行商业开采的数量。因此，储量不仅取决于实际矿藏，还取决于技术、经济条件、作业方式和法规。储量估算并不是对地下剩余全部燃料的固定衡量。(usgs.gov)
环境影响与减排
化石燃料的开采和使用会影响土地、空气和水。煤矿开采可能改变地貌和河流，而煤灰可能污染地下水。燃烧过程可能排放二氧化硫、氮氧化物、颗粒物和重金属。天然气生产可能破坏植被并产生受污染的废水，泄漏则既造成排放，也带来安全隐患。影响的规模和类型因燃料及生产方式而异。(eia.gov)
燃烧化石燃料会将储存在地质体中的碳转移到活跃的碳循环中。化石燃料燃烧和工业过程产生的二氧化碳排放，是人为气候变化的重要驱动因素。采用生命周期评价进行比较时，除了燃烧，还必须考虑生产和运输过程，尤其是天然气系统中的甲烷泄漏。(ipcc.ch)
不同的排放控制措施针对不同问题。洗涤器等设备用于减少常规污染物，而碳捕集与封存则分离出二氧化碳，将其储存于地下。政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估的气候变化减缓路径还包括提高效率、推进电气化，以及更多地使用可再生能源和其他低碳能源。仅靠污染控制措施并不能消除化石燃料燃烧所释放的二氧化碳。(eia.gov)