현재 가장 대중적이고 정설로 인정받는 것은 유기물에서 생성된다는 것이다.
그러나 미국의 셰일오일이나 기술의 발전으로 생물이 퇴적되었다고 보기 어려운 층에서조차 석유가 대량으로 발견되고 심지어 지금까지 인류가 사용한 어마어마한 양 보다도 더 많은 양이 발견되고 있기 때문에 기존 생물들의 퇴적물로 과연 이정도의 석유량이 가능한가 하는 의문 등으로 지구내부의 무기물에서 자연발생한다는 가설, 즉 석유 무기 기원설도 점차 힘을 받고 있는 상황이다.
전 세계에서 경제, 문화, 정치에 핵심을 이루는 원료이기 때문에, 많은 사람들이 연구 주제로서 관심을 가져왔다. 석유는 기본적으로 탄화수소로 구성되어 있으며, 전 세계의 퇴적암에서 보고되는 여러 형태의 유기물 및 탄화물의 혼합 퇴적물을 토대로 그 형성사에 대한 연구가 진행되어 왔다. 물질 구성이 주로 탄화수소이기 때문에, 그리고 탄소를 농집시키는 가장 자연스러운 과정은 생물의 형성이기 때문에, 석유는 석탄이나 천연 가스와 마찬가지로 생물의 퇴적과 밀접하게 관련이 있을 것이라고 여겨진다. 또한 탄화수소에는 지화학적 화석이 있는데, 이는 구체적인 작용기가 제거됐음에도 불구하고 살아생전 당시 생물이 보유하고 있던 특정 물질의 분자 구조 뼈대를 그대로 유지하는 분자를 말한다. 이를 통해 석유가 유래한 물질이 다양한 생물의 퇴적에서 기원했음을 확인할 수 있다. 예컨대 아이소프레노이드 특히 C19 혹은 C20은 엽록소의 파이톨을 지시한다.
한편, 탄화수소는 산소가 존재하면 곧 산화해버린다. 즉, 이산화탄소나 일산화탄소로 변해버리는 셈이다. 동시에, 지구 대기는 산소가 무척 풍부한 혼합 기체이므로, 석유가 형성되기 위해서는 대기와의 접촉이 사실상 없어야 한다. 따라서 특정 환경에서 퇴적된 생물 기원의 유기물들이 지하에 매몰되어 일련의 물리화학적 과정을 통해 탄화수소로 변화하면 이를 석유라고 부른다. 대부분 시추되는 석유는 만들어진 액상의 탄화수소가 물리적으로 갇힌 공간에 고여 다량으로 모여 있는 경우다. 그렇지 않으면 이 석유는 천천히 확산되어 흩어져 산화해버릴 것이다.
육상은 산소와 접촉할 가능성이 높으며, 해양에서 생물의 퇴적량이 더 많은 것이 일반적이다. 여기에 석유와 관련성이 높은 퇴적암은 대부분 그 암상과 지화학적 특성으로 해당 암석이 해양 환경에서 형성되었음을 파악할 수 있다. 이 때문에 대다수의 석유는 해양 생물의 퇴적에 기인한다고 생각되며, 해양 퇴적층 유기물은 주로 미생물과 박테리아가 그 기원이다. 이때문에 해양 미생물이 주 기원 생물이라고 설명하게 되는 것이다. 그렇지만 분명 기원 생물은 다양할 수 있다. 하지만 종류에 따라 석유가 될 수 있는 잠재력은 저마다 다르다. 석유가 되기 전 석유가 될지도 모르는 상태의 퇴적 유기물을 아울러 케로젠이라고 말하는데, 이 때 케로젠의 성분에 따라 몇 가지로 나뉜다. 비록 케로젠의 유형을 구분하는 방법이 무척 다양하나, 산소, 탄소 및 수소의 비율이 애용된다. 이 분류에서 수소 함량이 풍부한 케로젠은 이후 겪는 속성 과정과 퇴행 작용를 거쳤을 때 석유가 될 가능성이 높은 반면, 수소가 비교적 적은 케로젠은 속성 및 퇴행 작용을 거쳐 석유를 만들어도 15% 미만의 소량의 석유밖에 산출해내지 못한다. 비교적 풍부한 수소를 내포하는 케로젠의 기원 생물은 보통 조류, 박테리아이며 특히 해양 기원인 경우가 많다. 한편, 관다발식물에서 비롯된 케로젠은 석유가 될 가능성이 낮으며, 대신에 석탄이나 가스가 만들어질 가능성이 열려 있다.
석유를 만드는 데 있어 가장 핵심적인 과정이라고 여겨지는 퇴행 작용은 약 100~150도의 온도에서 이뤄진다. 이 온도는 탄소-탄소 결합은 끊어지지 않으면서 이보다 낮은 결합 강도를 가진 결합들을 끊어 불순물의 함량을 줄이고 탄화수소의 양이 늘어나는 최적의 온도이다. 이보다 온도가 낮으면 에너지가 너무 낮아 탄화수소를 만들고 불순물을 걸러내는 물리화학적 반응이 일어나지 않으며, 반대로 온도가 이보다 높으면 에너지가 너무 높아 탄소-탄소 결합마저 끊어져 고분자여야 할 탄화수소가 메탄과 같은 가스로 모두 분해되어 버린다. 이는 보통 2~3.5 km 깊이에서 일어난다고 생각하면 된다.
다만 석유 형성을 위해 요구되는 반응은, 모든 화학 반응이 그렇듯이 반응을 얼마나 가속시킬 수 있냐에 따라 그 조건이 달라진다. 따라서 온도가 상대적으로 낮을지라도 오랜 시간동안 반응할 수 있게 내버려둔다면 석유를 '생산할' 수 있다. 반면, 매몰된 지 지질학적으로 오래되지 않았을지라도 온도가 좀 더 높다면, 석유를 '생산할' 수 있다. 자연적인 과정임에도 불구하고 생산이라는 말이 사용될 때가 있는데, 이는 지하의 유기물이 풍부한 퇴적층에서 석유가 만들어지면, 지층의 더 높은 곳을 따라 석유가 "흘러올라가" 다른 곳에 고이기 때문이다. 실제로 석유가 고여있는 많은 퇴적층은 석유를 만들어내는 층과는 다른 별개의 층이다. 즉, 석유가 형성되는 퇴적층은 지하에 따로 있고, 이곳에서 조금씩 만들어지는 석유는 확산과 부력 등의 물리적 과정으로 흘러올라가, 더 이상 투과되지 않는 특정 층 아래에 고이게 되는 것이다.
전지구적인 커다란 사건이 일어나 생물이 한꺼번에 매몰되는 조건이 만들어지거나, 혹은 심해 전체가 무산소환경이 조성되어 생물 매몰에 대해 산화로 인한 유실이 최소화되는 시절이 있어, 특정 지질학적 시기에 석유가 풍부하게 만들어질 수도 있다. 그러나 사실 석유를 만들어내는 지층의 연대는 다양하여, 어떤 경우는 고생대의 것이지만, 어떤 경우는 신생대의 것이다. 멕시코만의 석유 저장고는 신생대 퇴적층에서 유래한 석유와 쥬라기 퇴적층에서 유래한 석유가 혼합되어 있다. 박테리아가 생존해있던 환경이면 석유 형성의 가능성은 열려 있기에, 실제로 가장 오래된 석유의 나이는 생각보다 오래됐다. 호주에서는 32억년 된 석유를 찾아내기도 했다.
최근에, 일각에서 생물 기원이 아닌 석유 형성 과정을 제안한 실험 과학이 있다. 맨틀에 존재하는 (의외로) 많은 탄소 함량과, 이것을 농집시킬 지질학적 메커니즘을 생각하여 이러한 제안이 있었던 것이다. 그러나 맨틀의 탄소 함량은 많다고 해도 사실 미미할 뿐더러, 맨틀에 존재하는 많은 탄소가 석유와 같은 탄화수소가 아닌 광물이나 포획물로 존재하는 것을 고려할 때, 무기적 탄소를 탄화수소로 전환하여 농집시키고 결과적으로 지구에서 발견되는 어마어마한 양의 석유가 되기까지 설명해내는 것은 쉬운 일이 아니다. 무엇보다 생물 기원의 메커니즘을 지지하는 수십 년의 관찰, 실험, 모델의 연구 결과는 아직도 결정적이다. 물론 기술과 실험을 통해 혹은 극단적인 다른 자연 환경을 거쳐 무기적인 메커니즘으로 석유에 해당하는 탄화수소를 만들어내는 것은 가능하다. 예컨대 이산화탄소, 물, 햇빛만으로 석유의 주성분인 탄화수소를 합성하는 기술이 개발되고 있다. 또한 타이탄과 같은 외계 행성이나 위성에서는 탄화수소의 일종인 메테인과 에테인, 즉 천연가스로 된 바다와 호수가 펼쳐져 있는 것이 확인되었다. 당연한 얘기지만 타이탄에는 생물 그것도 메탄을 대량으로 생성할만큼의 그 어떤 생물도 존재했다는 증거가 발견되지 않았다. 심지어 카시니 탐사선의 조사 결과 대기에서 프로필렌, 즉 플라스틱의 원료도 검출되었다. 물론 타이탄의 환경과 지구의 환경은 너무나도 다르지만, 위에서 설명한 것과 같이 석유자원이 반드시 생물에서 비롯된 유기퇴적물을 통해 생성되는 것만은 아니라는 하나의 논거가 된다.
석유가 공룡 화석이 변해 생겼다고 생각하는 사람들이 많은데, 실제로는 전혀 무관하다. 한가지 예로 캐나다의 백악기 지층인 호스슈 캐니언 층에서는 공룡 화석들도 많이 나오는 데다 석유까지 나오지만, 이는 석유가 공룡에게서 만들어진다는 근거 없는 주장을 뒷받침하지는 않는다. 다만 그와 별개로 과거에는 석유가 공룡의 시체로 만들어졌다고 추측했던 학자들이 상당했던건 사실이기는 하다. 호스슈 캐니언 층의 환경이 당시 범람원이었던지라 석유의 원료가 될 수생 플랑크톤이야 많았을 것이며, 해성층에서 형성된 석유가 암반 틈을 통해 이동했을 가능성 또한 존재한다. 무엇보다 석유하면 떠오르는 중동의 석유는 정말로 공룡과 무관한 게, 중동의 대부분은 중생대 당시 바다였기에 공룡이 살지 않았다. 현재 대부분의 석유는 중생대의 해양 플랑크톤 유래가 대부분인 것으로 예상되며, 무엇보다 석유가 생성되기 위해 생기는 근원암 구조는 대부분 해성층에서 유래한다.
