קיים מגוון רחב של תיאוריות להתהוות דלקים מאובנים. התיאוריה המקובלת ביותר גורסת כי דלק מאובן מתהווה כאשר חומר אורגני (כגון שארי צמחים או בע”ח) נאגר מתחת לפני כדור הארץ במשך זמן רב בתנאי לחץ גבוה ובריכוזים גבוהים. חומר שמתהווה בדרך זו מחלקיקים אורגניים המתערבבים עם בוץ ומשקעים אחרים, נקרא מתאן תרמוגני. ככל שהזמן עובר, יותר ויותר משקעים, בוץ ושארים אחרים מצטברים מעל החומר האורגני. המשקעים והשארים הללו מפעילים עליו לחץ רב שגורם לדחיסתו. דחיסה זו, בשילוב עם טמפרטורות גבוהות מתחת לפני כדור הארץ, מפרקת את הקשרים הפחמניים בחומר אורגני.

ככל שהעומק מתחת לפני כדור הארץ עולה, עולה גם הטמפרטורה. בטמפרטורות נמוכות יחסית (משקעים רדודים יותר), הנפט מתהווה בכמויות גדולות יותר בהשוואה לגז הטבעי. בטמפרטורות גבוהות יותר, לעומת זאת, שוררים תנאים ידידותיים יותר להיווצרות גז, מאשר לנפט. זוהי הסיבה לכך שגז טבעי נלווה בדרך כלל לנפט במרבצים שעומקם 1-2 מייל מתחת לפני כדור הארץ. המרבצים העמוקים ביותר מתחת לפני האדמה מורכבים ברובם מגז טבעי ולעיתים קרובות ממתאן טהור. דרך נוספת להיווצרות גז טבעי היא שינוי מבנה החומר האורגני ע”י מיקרו-אורגניזמים זעירים. סוג זה של מתאן נקרא מתאן ביוגני. מתאנוגנים, המיקרו-אורגניזמים הזעירים הגורמים להיווצרות מתאן, מפרקים כימית את החומר האורגני. המיקרו-אורגניזמים הללו מצויים לרוב בסביבה נטולת חמצן בקרבת פני כדור הארץ. הם חיים גם במעיים של רוב היצורים החיים, כולל בני אדם. התהוותו של המתאן בדרך זו, מתרחשת בדרך כלל בקרבת פני כדור הארץ וברוב המקרים המתאן שנוצר משתחרר לאטמוספרה. אף על פי כן, בנסיבות מסוימות, מתאן נלכד מתחת לפני האדמה וניתן להפיקו כגז טבעי. אחת הדוגמאות למתאן ביוגוני היא ביו-גז, הנקרא גם גז מטמנות. באתרי פסולת נוצרת כמות בלתי מבוטלת של גז טבעי כתוצאה מפירוק ביולוגי של חומרי פסולת. הטכנולוגיה המודרנית מאפשרת למצות את הגז הזה ולספחו לאספקה של גז טבעי. הדרך השלישית להיווצרות המתאן, לפי הסברות, נובעת מתהליכים אביוגניים. במעמקי כדור הארץ קיימים גזים עשירים במימן ומולקולות פחמן. עם עלייתם של הגזים הללו כלפי מעלה לכיוון פני כדור הארץ, ייתכן מגע ביניהם למינרלים אחרים שקיימים גם הם מתחת לפני האדמה ללא נוכחות חמצן. מגע זה עלול להביא לתגובה כימית שתייצר יסודות ותרכובות המצויים באטמוספרה (כגון חנקן, חמצן, פחמן דו-חמצני, ארגון ומים). אם מופעל לחץ על הגזים הללו עם התקדמותם כלפי מעלה לכיוון פני כדור הארץ, קיימת סבירות שייווצרו מהם מרבצי מתאן בדומה למתאן תרמוגני. למרות שמתאן נוצר במספר דרכים שונות, רוב מרבצי המתאן מצויים מתחת לפני כדור הארץ. בשל צפיפותו הנמוכה, גז טבעי עולה לפני השטח של כדור הארץ דרך חומרים רופפים, כגון פצלים. למרות שרוב המתאן משתחרר לאטמוספרה עם עלייתו לפני השטח, חלק ניכר ממנו נלכד בתוך תצורות גיאולוגיות. התצורות הללו מורכבות משכבות סלע משקע נקבובי (בדומה לספוג הקולט את הגז) ומעליהן שכבות של חומרים צפופים ופחות חדירים. השכבות הבלתי חדירות הללו יוצרות מלכודות גז מתחת לפני האדמה. במידה והתצורות גדולות מספיק, הן תהיינה מסוגלות ללכוד כמויות גדולות של גז טבעי במלכודת הנקראת מאגר גז טבעי. קיימים בטבע מספר סוגים של תצורות כאלה, אך הסוג הנפוץ ביותר נוצר כאשר סלע משקע בלתי חדיר יוצר צורה של “כיפה”, בדומה למטריה שתופסת את כל הגז הטבעי הזורם אל פני השטח. ישנן מספר דרכים להיווצרות “כיפה” גיאולוגית. לדוגמה, העתקים הם מלכודות נפוצות של נפט וגז טבעי. ההעתק מתרחש, כאשר מבנים סדימנטריים “נורמליים” מתפצלים “אנכית” ושכבות הסלע הבלתי חדירות מעתיקות את מקומן כלפי מעלה ולוכדות את הגז האגור בשכבותיו החדירות יותר של אבן גיר או אבן חול. כעיקרון, כאשר שכבות בלתי חדירות של מבנה גיאולוגי מתרבדות מעל מבנה נקבובי עשיר בנפט וגז, אזי יש פוטנציאל להיווצרות מאגר נפט ו/או גז. הפקת נפט וגז מצריכה קדיחת חלל בסלע בלתי חדיר על מנת ליצור פחת לשחרור הדלקים המאובנים הללו תחת לחץ טבעי שקיים במאגר. יש לציין כי במאגרים שמכילים נפט וגז, הגז בעל החלקיקים הפחות צפופים, הוא החומר הקרוב ביותר לפני השטח, בעוד שהנפט מתחתיו, ואילו מתחת לנפט בדרך כלל ניתן למצוא כמות מסוימת של מים. כאשר גז טבעי לכוד באופן זה מתחת לפני האדמה, ניתן להפיק אותו באמצעות קידוח חלל דרך סלע בלתי חדיר. במאגרים הללו בדרך כלל פועל על הגז לחץ טבעי שמאפשר לו להשתחרר מן המאגר ללא התערבות מלאכותית.