نفت خام ترکیبات بسیاری را شامل می‌شود که شامل موارد زیر هستند:
 
[list]
[*]ترکیبات هتروسیکل
[*]هیدروکربن‌ها‌
[*]فلزات 
[*]مواد معدنی
[/list]همانطور که می‌دانید، ترکیباتی که تنها از کربن و هیدروژن تشکیل شده باشند را با نام هیدروکربن می‌شناسیم که بزرگترین گروه ترکیبات آلی در نفت خام را تشکیل می‌دهند. ترکیبات هیدروکربنی به طور معمول با فرمول CxHyنمایش داده می‌شوند که زیرروندها، تعداد اتم‌های هر مولکول را نشان می‌دهد.
هیدروکربن‌های نفتی به طور کلی به چهار دسته زیر تقسیم می‌شوند:
 
[list]
[*]آروماتیک‌ها
[*]نفتن‌ها
[*]پارافین‌ها (آلکان‌ها)
[*]اولفین‌ها (آلکن‌ها)
[/list]از بین گروه‌های بالا، پارافین‌ها، اولفین‌ها و نفتن‌ها را با نام ترکیبات آلیفاتیک می‌شناسند. سبک‌ترین هیدروکربن محلول در گاز، آلکانی با نام متان و فرمول شیمیایی CH4است که از اجزای اصلی گاز طبیعی به شمار می‌آید. اولفین‌ها به راحتی در نفت خام یافت نمی‌شوند و به کمک فرآیندهای پالایشگاهی به تولید می‌رسند.

هیدروکربن های آروماتیک
آروماتیک‌ها بخش مهمی از ترکیب های نفت خام را تشکیل می‌دهند که تقریبا در تمامی مخلوط‌های نفت خام وجود دارند. آروماتیک‌ها، هیدروکربن‌هایی حلقوی و غیراشباع (سیرنشده) هستند که در آن‌ها، پیوند دوگانه کربن-کربن، به صورت تناوبی دیده می‌شود. واژه آروماتیک در این ترکیبات به دلیل معطر بودن برای آن‌ها در نظر گرفته شده است. البته توجه داشته باشید که در اینجا، معطر بودن تنها به معنی بوی خوش نیست بلکه شامل بوی خاص برخی مشتقات نفت خام است.

با وجود این که بنزن، سه پیوند دوگانه کربن کربن دارد اما آرایش پیوندها در حقیقت به صورت ساختار رزونانسی هستند که در نهایت سبب پایداری این مولکول می‌شود.
تحت شرایط استاندارد، بنزن، تولوئن و «زایلین» (Xylene) در حالت مایع قرار دارند اما آروماتیک‌ها با تعداد کربن بیشتر همچون نفتالین، به تنهایی جامد هستند.

نفتن ها
نفتن‌ها، دسته‌ دیگری از ترکیب های نفت خام را تشکیل می‌دهند که فرمول عمومی آن‌ها به صورت 
CnH2nCnH2n است.  این ترکیبات با داشتن یک یا چند حلقه سیرشده از اتم‌های کربن شناخته می‌شوند. نفتن‌ها، بخش مهمی از محصولات پالایشی نفت خام را تشکیل می‌دهند. نفت خامِ حاوی نفتن، نسبت به نفت‌های غنی از پارافین، ساده‌تر به گازوئیل تبدیل می‌شود.

پارافین ها یا آلکان ها
پارافین‌ها که در شیمی آلی آن‌ها را با نام آلکان‌ها می‌شناسند، فرمول عمومی CnH2n+2دارند و به دو گروه نرمال و ایزو تقسیم می‌شوند. پارافین‌های نرمال، هیدروکربن‌های اشباع با زنجیر هیدروکربنی خطی هستند. ایزوپارافین‌ها، هیدروکربن‌های شاخه‌دار هستند که با ایزوبوتان شروع می‌شوند و فرمول شیمیایی آن‌ها مشابه با فرمول نرمال بوتان است. 
حت شرایط STP،‌ چهار عضو ابتدایی آلکان‌ها یعنی متان، اتان، پروپان و بوتان، به شکل گاز یافت می‌شوند و ترکیبات از پنتان تا هپتادکان (C17H36) مابع هستند. سایر ترکیبات سنگین‌تر تحت این شرایط به صورت مومی‌شکل (Wax) دیده می‌شوند. این نوع از ترکیب های نفتی در پارافین‌های سبک‌تر یا سایر هیدروکربن‌ها حل و در سوخت‌های دیزل یافت می‌شوند.

اولفین ها
اولفین‌ها به طور طبیعی در نفت خام وجود ندارند اما در طول فرآیندهای پالایشی تولید می‌شوند. اولفین‌ها به لحاظ ساختاری، بسیار مشابه پارافین‌ها هستند اما در آن‌ها، حداقل یک پیوند دوگانه کربن-کربن دیده می‌شود و فرمول عمومی آن‌ها به صورت CnH2nاست. به طور معمول، اولفین‌ها در فرآورده‌های نهایی، محصولی ایده‌آل نیستند زیرا پیوند دوگانه در آن‌ها بسیار واکنش‌پذیر است و به راحتی دچار اکسیداسیون و پلیمریزاسیون می‌شوند