La trasformazione della sostanza organica in petrolio è una conseguenza della subsidenza (vedi isostasia)attraverso la quale i sedimenti carichi di sostanza organica, subiscono uno sprofondamento verso condizioni di temperature e pressioni crescenti. Condizioni che già a circa 1 Km di profondità e ad una temperatura di almeno 60 C° avviano il processo di diagenesi attraverso il quale i sedimenti diventano roccia e in questo caso roccia madre. Il processo di sprofondamento può anche continuare passando alla catagenesi, continuando nella metagenesi e fino ad arrivare ad un vero e proprio metamorfismo per profondità superiori ai 6-7 Km e temperature di oltre 200°.
Durante la diagenesi il sedimento e la materia organica, prevalentemente composta da lipidi, proteine e carboidrati (con lignine e tannini per i vegetali), subiscono una compattazione a causa dalla pressione ed un aumento di temperatura che favorisce i batteri presenti nel terreno a "fermentare" la sostanza organica producendo CO2 (anidride carbonica) e CH4 (metano); quest'ultimo a volte può formare i famosi gas di palude, detto metano biogenico. Al termine della diagenesi la sostanza organica è in parte ossidata, in parte riciclata dai microrganismi, in parte è stata fermentata e ha formato il metano biogenico e in parte infine si è trasformata in Kerogene, geopolimero complesso progenitore del petrolio. Tra i prodotti finali della diagenesi si può trovare anche il carbone che è formato da materiale vegetale come le torbe e le ligniti che hanno però un basso tenore calorifico.
Con l'incremento della temperatura si passa alla fase di catagenesi dove il kerogene passa allo stato amorfo in macromolecole formate principalmente da carbonio ed idrogeno, con una piccola percentuale di ossigeno, zolfo e azoto. Aumenta ancora la temperatura e il kerogene continua a trasformarsi eliminando dalla macromolecola le molecole più leggere, e relativamente ricche di O e H, assumendo una struttura via via più ordinata e stabile.
Nella figura sotto due esempi di strutture di Kerogene; come si vede in quella più evoluta le molecole sono più piccole e con un numero minore di eteroatomi (Pieri, Petrolio Ed. Zanichelli).

A seconda della struttura si può stabilire una scala di maturazione del Kerogene, che sarà in rapporto con la formazione del petrolio, in grado di fornire indicazioni sulla quantità e qualità del petrolio che esso può aver prodotto nelle fasi successive.
La fase finale della catagenesi è quella dove il kerogene completa la sua maturazione (a circa 150°C e diversi Km di profondità con pressioni di circa 1000 Atm. ). Qui avviene infatti il processo di cracking, indotto dal solo aumento di temperatura. Durante questa fase il kerogene subisce la rottura della macromolecola originale formando molecole di bitume (petrolio) e di gas che, essendo molto meno dense della macromolecola di partenza, tenderanno a migrare verso l'alto e ad accumularsi laddove troveranno delle barriere rocciose impermeabili (trappole).
Il kerogene rimanente si arricchirà sempre più in carbonio, con un numero sempre minore di atomi suscettibili di rottura. Quindi ad un certo punto non sarà più in grado di produrre petrolio anche se potrà produrre discrete quantità di metano e condensati (composti leggeri in forma gassosa nel sottosuolo e liquidi alle condizioni ambientali).
Come vediamo la produzione di petrolio avviene tra due temperature: una minima di circa 60° in cui inizia la fase di diagenesi al cui termine si genera il kerogene, ed una massima tra i 100°-150° in cui il kerogene subisce il fenomeno di cracking. Queste sono due soglie termiche che delimitano la cosidetta finestra dell'olio, ossia l'intervallo di profondità e temperatura (calcolate con un gradiente geotermico medio, vedi flusso di calore) in cui la roccia madre produce la massima quantità di petrolio.
Alla soglia del metamorfismo (circa 5-6 Km di profondità e temp di circa 200°) il kerogene diventa un residuo carbonioso grafitico. Va da sè che nelle condizioni di metamorfismo non esiste possiblità alcuna di generare petrolio.
Accanto due esempi di dove si può accumulare il petrolio, dette trappole: sopra una ad anticlinale, sotto una trappola formata a causa di un domo salino.