Nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ, khí tự nhiên) hình thành từ các sinh vật cổ đại. Chúng có mật độ năng lượng cao và đáng tin cậy nhưng không tái tạo được và là nguồn chính gây ra $\text{CO}_2$ và ô nhiễm không khí. Than là loại bẩn nhất; khí tự nhiên cháy sạch hơn nhưng bị rò rỉ methane.
*Mỏ khai thác than nâu (lignite) mở, cung cấp nhiên liệu cho nhà máy điện phía sau — nhiên liệu được đào từ lòng đất và đốt ngay tại chỗ
Than hình thành qua các giai đoạn, và hạng của nó tăng lên theo nhiệt độ, áp lực và độ sâu chôn vùi mà nó đã chịu đựng. Một phần chất hữu cơ thực vật phân hủy đầu tiên trở thành than bùn (có thể sấy khô và đốt), sau đó là than nâu mềm, rồi than bituminous, và cuối cùng là than cứng anthracite – mỗi bước chuyển đổi đều khô hơn, giàu carbon hơn và có mức năng lượng cao hơn, do đó than anthracite có nhiệt độ cháy cao và sạch nhất.
Dầu mỏ và khí tự ngày càng được khai thác bằng cách thủy lực fracturing (
Dầu thô cũng có thể được thu hồi từ cát nhựa – hỗn hợp của đất sét, cát, nước và bitumen dày đặc. Việc tách dầu đòi hỏi năng lượng và nước lớn, đồng thời phá hủy diện tích rộng lớn đất đai, nên chi phí môi trường tính trên mỗi thùng dầu là rất cao.