Minyak bumi, gas alam, dan batu bara dikatakan sebagai bahan bakar fosil karena pada dasarnya mereka memang fosil. Bahan bakar fosil terbentuk lewat proses alamiah berupa pembusukan dari organisme yang mati ratusan juta tahun lalu. Dinosaurus, pepohonan, dan hampir semua mahluk hidup yang mati, terendapkan di tanah, dan sekarang telah menjadi minyak bumi, gas alam, atau batu bara. Gas alam berbentuk gas, minyak bumi berbentuk cair, dan batu bara berbentuk padat. Perbedaan wujud mereka disebabkan perbedaan pada tekanan dan panas yang mereka terima di perut bumi selama jutaan tahun.Bahan bakar fosil adalah sumberdaya tak terbarukan karena perlu jutaan tahun untuk terbentuk, dan sumber yang ada lebih cepat habis ketimbang terbentuk yang baru. Produksi dan pemakaian bahan bakar fosil menyebabkan masalah-masalah lingkungan. Gerakan global menuju pembangkitan energi terbarukan dilakukan untuk membantu memenuhi meningkatkanya kebutuhan energi.Ada banyak jenis senyawa hidrokarbon atau terbarukan dalam campuran bahan bakar tertentu. Campuran khusus hidrokarbon memberi sebuah bahan bakar sifat karakteristiknya, seperti titik didih, titik beku, kepadatan, kekentalan, dsb. Sebagian bahan bakar seperti gas alam, misalnya, mengandung komponen gas dengan titik didih yang sangat rendah. Yang lain seperti bensin dan diesel mengandung komponen dengan titik didih lebih tinggi.Bahan bakar fosil itu penting karena bila dibakar (dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air) akan menghasilkan energi yang besar per satuan berat. Penggunaan batu bara sebagai bahan bakar sudah dilakukan di masa prasejarah. Batu bara digunakan untuk menjalankan tungku pencairan bijih logam. Hidrokarbon setengah padat juga telah digunakan semenjak zaman kuno, namun bahan ini umumnya dipakai untuk bahan anti air dan balsem.Minyak mentah berat, yang lebih kental dari minyak mentah biasa, dan pasir aspal yang merupakan campuran bitumen dengan pasir dan tanah liat, menjadi sumber bahan bakar fosil yang penting. Landas minyak dan bahan sejenis adalah batuan endapan yang mengandung kerogen, sebuahcampuran kompleks senyawaorganik dengan berat molekul besar, yang menghasilkan minyak mentah sintetis ketika dipanaskan (pirolisis). Bahan ini belum dieksploitasi secara komersial untuk saat ini. Bahan bakar ini dapat digunakan untuk mesin pembakaran internal, pembangkit listrik bahan bakar fosil, dan kegunaan lain.