非烃化合物
石油中的非烃化合物是指除C、H两种主要元素外,还含有硫或氮或氧,亦或金属原子（主要是钒和镍）的一大类化合物.石油中这些元素的含量不多,但含这些元素的化合物却不少,有时可达石油重量的30%.其中又主要是含硫、氮、氧的化合物.
含硫化合物
硫是碳和氢之后的第三个重要元素,含硫的化合物也最为多见.目前石油中已鉴定出的含硫化合物将近100种,多呈硫醇、硫醚、硫化物（H2S）和噻吩（含硫的杂环化合物的形式存在,在重质石油中含量较为丰富.
含氮化合物
石油中含氮化合物较为少见,平均含量小于0.1%.目前从石油中分离出来的含氮化合物有30多种,主要是以含氮杂环化合物形式存在.可将其分为两组,一组为碱性化合物,有吡啶、喹啉、异喹啉、吖啶及卟啉、吲哚、咔唑及其同系物.其中以含钒和镍的金属卟啉化合物最为重要.
原油中的卟啉化合物首先是由特雷勃斯（C.Treibs,1934）发现的.包括初卟啉和脱氧玫红初卟啉,并提出石油中的卟啉是由植物的叶绿素和动物氯化血红素转化来的.这个发现为石油有机成因说提供了有力的证据,引起了广泛的注意和重视.目前对卟啉的研究已逐步深入并发现了多种类型.卟啉是以四个吡咯核为基本结构,由甲川桥联结的含氮化合物,又称器族化合物.在石油中卟啉常与钒、镍等金属元素形成络合物,因而又称为有机金属化（络）合物,其基本结构与叶绿素结构极为相似（图）.
但是,并不是所有原油中都含有卟啉,有相当一部分原油中不含或仅含痕量.一般中、新生代地层中形成的原油含卟啉较多,而古生代地层中含量甚低或不含.这可能与卟啉的稳定性差有关.在高温（＞250℃）或氧化条件下,卟啉将发生开环裂解而破坏.
此外,原油中的卟啉类型还与沉积环境有密切关系,海相石油富含钒卟啉,而陆相石油富含镍卟啉.
含氧化合物
石油中含氧化合物已鉴定出50多种.包括有机酸、酚和酮类化合物.其中主要是与酸官能团-COOH有关的有机酸,有C1-24的脂肪酸,C5-10的环烷酸,C10-15的类异戊二烯酸.石油中的有机酸和酚（酸性）统称石油酸,其中以环烷酸最多,占石油酸的95%,主要是五员酸和六员酸.几乎所有石油中都含有环烷酸,但含量变化较大,在0.03-1.9%之间.环烷酸易与碱金属作用生成环烷酸盐,环烷酸盐又特别易溶于水.因此地下水中环烷酸盐的存在是找油的标志之一.