L'obbiettivo principale della ricerca del petrolio è la localizzazione del giacimento, ossia di un volume circoscritto del sottosuolo dove il petrolio possa essersi accumulato e conservato nel corso dei tempi geologici. Ma vediamo esattamente cos'è il petrolio e perchè si trova sotto terra, anche a svariati Km di profondità: come prima cosa va detto che il petrolio, così come il carbone, è un combustibile fossile non rinnovabile dal momento che ha origine da sostanze organiche che, anzichè essere distrutte dai normali processi ossidativi o da altri agenti naturali (animali/batteri), si conservano e si accumulano nel sottosuolo per milioni di anni.

Il petrolio è composto da una miscela di numerosissimi componenti gassosi, liquidi e solidi, di cui oltre il 99% sono costituiti da idrocarburi. Lo studio degli idrocarburi e degli altri composti del carbonio è fondamentale poiché il carbonio è un elemento con caratteristiche chimiche del tutto particolari (vedi anche diamanti) capace di dare vita a molecole organiche complicatissime combinate tra loro in catene o anelli; si spiega cosi come esistano circa 4.000.000 composti del carbonio (esseri umani compresi) e solo 70.000 composti di tutti gli altri elementi messi insieme. Infatti la sostanza che forma gli esseri viventi, animali e vegetali, sono i composti del carbonio, e permettono lo svolgimento dei processi vitali, e la loro trasformazione da vita al petrolio; quindi senza esseri viventi non vi sarebbe petrolio. Con la prima grande esplosione della vita, circa 1 miliardo di anni fa, il carbonio inizia ad essere fissato (mediante il processo di fotosintesi) nelle piante e poi negli animali; dopo la loro morte questo "carbonio organico" è stato in massima parte ossidato e restituito all'atmosfera sotto forma di CO2. Nello schema accanto il ciclo del carbonio in tutti questi anni: la maggior parte di esso è rimasto nella parte superiore, mentre quel poco che è riuscito ad entrare nella parte inferiore ha avuto la possibilità di generare il petrolio; l'unità di misura Gt equivale a miliardi di tonnellate (Pieri, Petrolio Ed. Zanichelli)

La piccolissima parte di carbonio (circa lo 0,01-0,1%) che da vita alla seconda parte del ciclo del carbonio è quella che riguarda direttamente la formazione del petrolio. Per sfuggire all'ossidazione il carbonio organico quindi non deve entrare in contatto con la geosfera, in particolare deve essere protetto dall'ossigeno. Per questo si preserva solamente nei sedimenti deposti in ambiente acquatico dove il tenore di ossigeno è basso ed è per questo che il petrolio si ritrova praticamente solo nelle rocce sedimentarie.
Il principale produttore di carbonio organico è il fitoplancton (diatomee, dinoflagellati, nonnoplancton,..) mentre il contributo degli organismi più grandi, come i pesci e gli animali terrestri, è praticamente trascurabile. Una quantità rilevante viene fornita anche dai vegetali che sono più resistenti all'alterazione e quindi hanno più tempo a disposizione per trovare un ambiente di deposizione favorevole al loro preservamento, ma in genere questi danno vita a dei depositi di carbone.
Se le condizioni sono favorevoli si può formare una "roccia madre", ossia una roccia che contiene concentrazioni di carbonio organico tali da poter produrre successivamente del petrolio in quantità apprezzabili (almeno lo 0,5% per le rocce detritiche, e lo 0,3 % per quelle carbonatiche). Gli ambienti di sedimentazione più favorevoli perchè una roccia possa diventare "madre" sono quelli vicino alle coste, dove l'apporto di sostanze organiche è maggiore, e quelli dove le acque sono tranquille così da permettere la sedimentazione di particelle fini come lagune, estuari e scarpate continentali. Accanto la sequenza ideale per la formazione del petrolio.