Les déchets organiques provenant de la mort des êtres vivants animaux ou végétaux sont le plus souvent détruits et digérés par les bactéries. Toutefois, certains se déposent au fond des mers fermées, lacs, lagunes, etc. Pauvres en oxygène, ces milieux aquatiques protégent les matières organiques de l'action des bactéries. Composées de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'oxygène, les matières organiques se mélangent avec des sédiments tels que sable, argile ou sel et s'empilent par couches successives pendant des millions d'années, les couches les plus anciennes se trouvant enfouies sous les plus récentes.
Ces couches sédimentaires s'enfoncent dans l'écorce terrestre, du fait de leur propre masse et par l'action de la tectonique des plaques qui agite le manteau de la Terre et les casse. Au fur et à mesure que les couches sédimentaires s'enfoncent, la température et la pression augmentent. Des réactions chimiques éliminent les atomes d'azote et les restes d'oxygène, ne laissant que les molécules de carbone et d'hydrogène. C'est ainsi que sont formés les hydrocarbures liquides et gazeux, que l'on retrouve au sein de la roche mère.
Plus légers que l'eau, les hydrocarbures se déplacent sous terre en s'échappant jusqu'à la surface ou bien se solidifient en bitume. Toutefois, les hydrocarbures rencontrent parfois pendant leur migration une couche imperméable dénommée couverture. Ne pouvant continuer leur migration, ils sont alors piégés au sein d'une roche, dénommée roche réservoir.
Au sein de cette roche réservoir, la partie gazeuse des hydrocarbures remonte au-dessus du pétrole et repousse vers le bas la nappe d'eau.