Nhiên liệu hóa thạch là các loại nhiên liệu được tạo thành bởi quá trình phân hủy kỵ khí của các sinh vật chết bị chôn vùi cách đây hơn 300 triệu năm. Các nguyên liệu này chứa hàm lượng carbon và hydrocarbon cao. Các nhiên liệu hóa thạch thay đổi trong dải từ chất dễ bay hơi với tỷ số carbon:hydro thấp như methane, dầu hỏa dạng lỏng, đến các chất không bay hơi chứa toàn là cacbon như than đá. Methane có thể được tìm thấy trong các mỏ hydrocarbon ở dạng riêng lẻ hay đi cùng với dầu hỏa hoặc ở dạng methane clathrates. Về tổng quát chúng được hình thành từ các phần còn lại của thực vật và động vật bị hóa thạch khi chịu áp suất và nhiệt độ bên trong vỏ Trái Đất hàng triệu năm. Học thuyết phát sinh sinh vật được Georg Agricola đưa ra đầu tiên vào năm 1556 và sau đó là Mikhail Lomonosov vào thế kỷ 18. Cơ quan thông tin năng lượng Hoa Kỳ (EIA) ước tính năm 2006 rằng nguồn năng lượng nguyên thủy bao gồm 36,8% dầu mỏ, than 26,6% (bao gồm than nâu và than đá), khí thiên nhiên 22,9%, chiếm 86% nhiên liệu nguyên thủy sản xuất trên thế giới. Các nguồn nhiên liệu không hóa thạch bao gồm thủy điện 6,3%, năng lượng hạt nhân 6,0%, và năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, nhiên liệu gỗ, tái chế chất thải chiếm 0,9%. Tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng mỗi năm khoảng 2,3%. Các nhiên liệu hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi vì Trái Đất mất hàng triệu năm để tạo ra chúng và lượng tiêu thụ đang diễn ra nhanh hơn tốc độ được tạo thành. Sản lượng và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch làm tăng các mối quan tâm về môi trường. Thế giới đang hướng tới sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là một trong những cách giúp giải quyết vấn đề tăng nhu cầu năng lượng. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3 tỉ tấn carbon dioxide hàng năm, nhưng người ta ước tính rằng các quá trình tự nhiên có thể hấp thu phân nửa lượng khí thải trên, vì vậy hàm lượng cacbon dioxide sẽ tăng 10,65 tỉ tấn mỗi năm trong khí quyển (một tấn cacbon tương đương 44/12 hay 3,7 tấn carbon dioxide). carbon dioxide là một trong những khí nhà kính làm tăng lực phóng xạ và góp phần vào sự nóng lên toàn cầu, làm cho nhiệt độ trung bình bề mặt của Trái Đất tăng. Nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ quá trình phân hủy kỵ khí của xác các sinh vật, bao gồm thực vật phù du và động vật phù du lắng đọng xuống đáy biển (hồ) với số lượng lớn trong các điều kiện thiếu oxy, cách đây hàng triệu năm. Trải qua thời gian địa chất, các hợp chất hữu cơ này trộn với bùn, và bị chôn vùi bên dưới các lớp trầm tích nặng. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao làm cho các vật chất hữu cơ bị biến đổi hóa học, đầu tiên là tạo ra kerogen ở dạng sáp. Chúng được tìm thấy trong các đá phiến sét dầu và sau đó khi bị nung ở nhiệt cao hơn sẽ tạo ra hydrocarbon lỏng và khí bởi quá trình phát sinh ngược. Ngược lại, thực vật đất liền có xu hướng tạo thành than. Một vài mỏ than được xác định là có niên đại vào kỷ Phấn trắng. Các ví dụ so sánh tương đối: Nhiên liệu hóa thạch có vai trò rất quan trọng bởi vì chúng có thể được dùng làm chất đốt (bị oxy hóa thành dioxide cacbon và nước) để tạo ra năng lượng. Việc sử dụng than làm nhiên liệu đã diễn ra rất lâu trong lịch sử. Than được sử dụng để nấu chảy quặng kim loại. Các hydrocarbon bán rắn rò rỉ lên mặt đất cũng được dùng làm chất đốt trong thời cổ đại, nhưng các vật liệu này hầu hết được sử dụng làm chất chống thấm và ướp xác. Khai thác dầu mỏ thương mại, phần lớn là sự thay thế cho dầu có nguồn gốc động vật (như dầu cá) để làm chất đốt cho các loại đèn dầu bắt đầu thừ thế kỷ 19. Khí thiên nhiên đã có thời kỳ bị đốt bỏ trên các giàn khoan dầu và được xem là sản phẩm không cần thiết của quá trình khai thác dầu mỏ, nhưng bây giờ được quan tâm rất nhiều và được xem là tài nguyên rất có giá trị. Dầu thô nặng là một loại dầu có độ nhớt lớn hơn dầu thô, còn được gọi là dầu cát. Dầu cát là loại bitumen bị trộn lẫn với cát và sét, và là nguồn nhiên liệu hóa thạch quan trọng. Phiến sét dầu và các vật liệu tương tự là các đá trầm tích chứa kerogen, một hỗn hợp của các hợp chất hữu cơ cao phân tử, và là chất sinh ra dầu thô tổng hợp khi bị nhiệt phân. Các vật liệu này chưa được khai thác thương mại. Các nhiên liệu này được dùng cho các động cơ đốt trong, nhà máy điện dùng nhiên liệu hóa thạch và các mục đích khác. Trước nửa sau thế kỷ 18, cối xay gió hay cối xay nước đã cung cấp nhu cầu năng lượng cho ngành công nghiêp như nghiền bột mì, xẻ gỗ hoặc bơm　nước, và đốt gỗ hoặc than bùn để cung cấp nhiệt dân dụng. Việc sử dụng nhiêu liệu hóa thạch ở phạm vi rộng, thì nhiên liệu đầu tiên là than, theo sau là dầu hỏa để vận hành các động cơ hơi nước, và là đóng góp rất lớn cho cuộc cách mạng công nghiệp. Vào cùng thời gian đó, khí đốt sử dụng khí thiên nhiên hoặc khí than cũng được sử dụng rộng rãi. Việc phát minh ra động cơ đốt trong và lắp đặt nó trong ô tô và xe tải đã làm tăng cao nhu cầu sử dụng xăng và dầu diesel, cả hai loại này đầu là sản phẩm chưng cất từ nhiên liệu hóa thạch. Các hình thức vận tải khác như đường sắt và hàng không cũng đòi hỏi sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Các nguồn tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch khác như nhà máy điện và công nghiệp hóa dầu. Hắc ín là sản phẩm còn lại sau khi chiết tách dầu, cũng được dùng làm vật liệu trải đường. Theo nguyên tắc cung - cầu thì khi lượng cung cấp hydrocarbon giảm thì giá sẽ tăng. Dù vậy, giá càng cao sẽ làm tăng nhu cầu về nguồn cung ứng năng lượng tái tạo thay thế, khi đó các nguồn cung ứng không có giá trị kinh tế trước đây lại trở thành có giá trị để khai thác thương mại. Xăng nhân tạo và các nguồn năng lượng tái tạo hiện tại rất tốn kém về công nghệ sản xuất và xử lý so với các nguồn cung cấp dầu mỏ thông thường, nhưng có thể trở thành có giá trị kinh tế trong tương lai gần. Xem thêm phát triển năng lượng. Các nguồn năng lượng thay thế khác gồm năng lượng hạt nhân, thủy điện, điện mặt trời, phong điện, năng lượng thủy triều và địa nhiệt. Mức cấp nguồn năng lượng chủ yếu là lượng dự trữ trong lòng đất. Lưu lượng là sản lượng khai thác. Phần quan trọng nhất của nguồn năng lượng chủ yếu là nguồn năng lượng hóa thạch gốc cacbon. Dầu mỏ, than và khí chiếm 79,6% sản lượng năng lượng chủ yếu trong năm 2002 (hay 34,9 + 23,5 + 21,2 tấn dầu quy đổi). Mức cấp (dự trữ đã xác định) Lưu lượng (sản lượng tiêu thụ hàng năm) năm 2007 Số năm khai thác còn lại với lượng dự trữ tối đa được xác định (Oil &amp; Gas Journal, World Oil) Cách tính trên áp dụng cho sản lượng khai thác ở mức độ không đổi cho các năm sau và tất cả lượng dự trữ đã được xác định có thể được thu hồi hết. Nhưng trong thực tế, lượng tiêu thụ từ ba nguồn cung cấp này đã và đang tăng lên hàng năm thậm chí là tăng rất nhanh và thực tế là đường cong sản lượng khai thác theo hình chuông (giống đường phân phối chuẩn). Vào một vài thời điểm, sản lượng khai thác các tài nguyên này trong một khu vực, quốc gia hoặc trên thế giới sẽ đạt đến giá trị cực đại và sau đó sẽ giảm cho đến khi xuống đến điểm mà tại đó việc khai thác sẽ không còn đem lại lợi nhuận hoặc không thể khai thác được nữa. Quy luật này được Hubbert nêu ra trong học thuyết đỉnh điểm Hubbert về vấn đề dầu khí. Lưu ý rằng các ước tính lượng dự trữ đã xác định không bao gồm lượng dự trữ chiến lược. Dự trữ chiến lược trên toàn cầu là hơn 4,1 tỷ thùng nữa. Các điểm nêu ở trên nhấn mạnh đến sự cân bằng năng lượng toàn cầu. Cũng thông qua đó có thể hiểu được tỉ lệ dự trữ phục vụ cho tiêu thụ hàng năm (R/C) theo khu vực và quốc gia. Ví dụ, chính sách năng lượng của Vương quốc Anh nêu rằng tỷ lệ R/C của châu Âu là 3,0, là một con số rất thấp so với chuẩn của thế giới. Điều này cho thấy rằng đây là khu vực có thể bị tổn thương về năng lượng. Các nguồn nhiên liệu thay thế đặc biệt là chủ đề tranh luận bức xúc trên toàn cầu. Ở Hoa Kỳ, có hơn 90% lượng khí nhà kính thải vào môi trường từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Đốt nhiên liệu hóa thạch cũng tạo ra các chất ô nhiễm không khí khác như các nitơ oxide, lưu huỳnh dioxide, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các kim loại nặng. Theo Bộ Môi trường Canada: "Ngành điện là duy nhất trong số những ngành công nghiệp trong đóng góp rất lớn của nó vào các phát thải liên quan đến hầu hết các vấn đề về không khí. Sản xuất điện thải ra một lượng lớn các oxide nitơ và dioxide lưu huỳnh tại Canada, tạo ra sương mù và mưa acid và hình thành vật chất hạt mịn. Nó là nguồn thải thủy ngân công nghiệp lớn nhất không thể kiểm soát được tại Canada. Các nhà máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch cũng phát thải vào môi trường dioxide cacbon, một trong những chất tham gia vào quá trình biến đổi khí hậu. Thêm vào đó, ngành này có những tác động quan trọng đến nước, môi trường sống và các loài. Cụ thể, các đập nước và các đường truyền tải cũng tác động đáng kể đến nước và đa dạng sinh học." Đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra các acid như acid sulfuric, acid carbonic và nitric, các chất có nhiều khả năng tạo thành mưa acid và ảnh hưởng đến các vùng tự nhiên và hủy hoại môi trường. Các tượng điêu khắc làm bằng cẩm thạch và đá vôi cũng phần nào bị phá hủy do acid hòa tan cacbonat calci. Nhiên liệu hóa thạch cũng chứa các chất phóng xạ chủ yếu như urani và thori, chúng được phóng thích vào khí quyển. Năm 2000, có khoảng 12.000 tấn thori và 5.000 tấn urani đã bị thải ra từ việc đốt than. Người ta ước tính rằng trong suốt năm 1982, Hoa Kỳ đốt than đã thải ra gấp 155 lần so với chất phóng xạ thải vào khí quyển của sự cố sự cố Three Mile Island. Đốt than cũng tạo ra một lượng lớn xỉ luyện kim và tro bay. Các chất này được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, chiếm khoảng 40% sản lượng của Hoa Kỳ. Việc khai thác, xử lý và phân phối nhiên liệu hóa thạch cũng gây ra các mối quan tâm về môi trường. Các phương pháp khai thác than đá đặc biệt là khai thác lộ thiên bốc lớp phủ của các đỉnh núi và khai thác từ trên xuống và khai thác dạng dải cũng gây những ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, và các hoạt động khai thác dầu khí ngoài khơi cũng là hiểm họa đối với sinh vật thủy sinh. Các nhà máy lọc dầu cũng có những tác động tiêu cực đến môi trường như ô nhiễm nước và không khí. Việc vận chuyển than cần sử dụng các đầu máy xe lửa chạy bằng động cơ diesel, trong khi đó dầu thô thì được vận chuyển bằng các tàu dầu (có nhiều khoang chứa), các hoạt động này đòi hỏi phải đốt nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Các luật môi trường được áp dụng để làm giảm thiểu lượng phát thải như yêu cầu và khống chế (yêu cầu về lượng chất thải hoặc yêu cầu về công nghệ sử dụng), khuyến khích kinh tế hoặc các chương trình tình nguyện. Ví dụ về các nguyên tắc môi trường được sử dụng ở Hoa Kỳ nhu "EPA đưa ra các chính sách để giảm phát thải thủy ngân từ hoạt động hàng không. Theo các nguyên tắc được phê chuẩn năm 2005, các nhà máy phát điện sử dụng than cần phải cắt giảm lượng phát thải đến 70% vào năm 2018. ". Về thuật ngữ kinh tế, ô nhiễm từ nhiên liệu hóa thạch được xem là một yếu tố bên ngoài tiêu cực. Thuế là cách áp dụng một chiều để thực hiện chi phí xã hội một cách rõ ràng hay nói cách khác là chi phí ô nhiễm. Mục đích này làm cho giá nhiên liệu tăng cao để làm giảm nhu cầu sử dụng tức giảm lượng chất gây ô nhiễm và đồng thời tăng quỹ để phục hồi môi trường.