원유를 분석하면 탄소함량이 80~86%, 수소 12~15%, 기타 원소(황, 질소, 산소) 1~3% 등이다. 즉 주성분은 탄화수소이지만 황화합물, 질소산화물, 산소화합물, 금속염류 등 불순물이 섞여 있다. 이러한 불순물은 석유제품의 품질을 저하시키므로 정유공정에서 분리·제거시킨다. 황분(黃分)은 모든 천연 석유에 함유되어 있으며, 정제과정에서 장치와 기구의 부식을 가져오거나 또는 촉매에 해를 끼친다. 또한 배기가스 속에 섞여서 대기오염의 주요 원인이 되는 등 정유산업에서 가장 골치거리인 불순물이다. 질소화합물은 인체에 큰 독성은 지니고 있지 않으나, 석유제품의 품질을 떨어뜨리고 또 배기가스에 의한 대기오염의 주요인의 하나로서 매우 해로운 질소산화물(NOx)의 발생원인이 된다.

최근에는 환경문제가 중시됨에 따라 황함유량도 원유의 품질 결정의 중요한 요소가 되고 있다. 일반적으로 원유의 비중과 황함량과는 상관관계가 있는데 경질원유는 황분이 적으며, 반대로 중질원유는 황분이 많은 특성을 지닌다.

비중은 화씨 60도(섭씨 15.6도)의 물에 대한 같은 온도에서의 석유의 무게比를 말하며 보통 API도 30도 이하를 중질원유, API도 34도 이상을 경질원유로 분류한다.

나프텐기 원유는 성분 중에 나프텐계의 탄화수소를 많이 함유하고, 아스팔트분이 많기 때문에 아스팔트기 원유라고 부르는 수도 있다. 이 원유에서는 휘발유의 품질이 좋고(옥탄가가 높음), 다량의 아스팔트를 생산할 수 있으나 등유, 경유는 품질이 나쁘다. 일반적으로 중유분의 응고점이 낮고 파라핀왁스가 적기 때문에 간단한 처리로 윤활유를 제조할 수 있으나, 그 품질은 그다지 좋지 않다. 대표적인 것으로 미국의 캘리포니아 원유, 텍사스 원유, 멕시코 원유, 베네수엘라 원유 등이 있다.

혼합기 원유는 양자의 중간성질을 가진 것으로 세계 대부분의 원유가 여기에 속한다.