ปัจจัยสำคัญที่สุด ที่ทำให้สารต้นกำเนิดปิโตรเลียม หรือคีโรเจนแปรสภาพไปเป็นปิโตรเลียม คือ อุณหภูมิ ซึ่งอุณหภูมิขั้นต่ำสุด ที่มีความจำเป็นในการเกิดปิโตรเลียมในสภาพของแอ่งตะกอน โดยทั่วๆ ไปก็คือ ระดับ ๑๒๐ องศาฟาเรนไฮต์ สภาพอุณหภูมิดังกล่าว เกิดขึ้นเมื่อตะกอน ซึ่งมีสารอินทรีย์ปะปนอยู่ในปริมาณที่มากเพียงพอ ในหินตะกอน ได้ทับถมตัวจมลงใต้ผิวโลกลึกลงไป ยิ่งเป็นบริเวณแอ่งตะกอนที่มีตะกอนสะสมตัวทับถมกันหนา และจมตัวลึกลงไปมากเท่าไร อุณหภูมิใต้ผิวโลกบริเวณนั้นก็จะยิ่งเพิ่มสูงมากขึ้นตามไปด้วย อย่างไรก็ดี ที่ระดับความลึกไม่มากนักนั้น อุณหภูมิของบริเวณดังกล่าวจะไม่สูงพอที่จะทำให้เกิดน้ำมันดิบ สารอินทรีย์จากพืชและสัตว์บางส่วนจะสลายตัวไป โดยการทำงานของแบคทีเรีย ทำให้เกิดแก๊สชีวภาพในปริมาณที่มากพอสมควร ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแก๊สมีเทน (Methane) เกือบทั้งสิ้น แก๊สเหล่านี้ บางทีเรียกชื่อว่า แก๊สไบโอเจนิก (Biogenic gas) หรือแก๊สสวอมป์ (Swamp gas) หรือแก๊สมาร์ซ (Marsh gas) และสามารถเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วมากที่ระดับตื้นๆ การสลายตัวของสารอินทรีย์โดยแบคทีเรียแล้วเกิดเป็นแก๊สชีวภาพจะลดปริมาณน้อยลงเรื่อยๆ เมื่อตะกอนทับถมตัวจมลึกลงไปจากระดับผิวดินตามลำดับ

            ในแอ่งตะกอนโดยทั่วๆไปนั้น น้ำมันดิบจะเกิดขึ้นในระดับอุณหภูมิระหว่าง ๑๒๐ ถึง ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ แต่ที่ระดับอุณหภูมิ ๑๙๐ องศาฟาเรนไฮต์ จะเป็นระดับอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด นอกจากนี้ ปัจจัยเรื่องเวลาหรืออายุของตะกอนก็มีความสำคัญมากเช่นกัน ยิ่งตะกอนมีอายุมากเท่าไร ระดับอุณหภูมิที่จำเป็นในการแปรสภาพสารอินทรีย์ที่สะสมตัวในตะกอนนั้นๆ ไปเป็นปิโตรเลียมจะมีค่าต่ำลงเท่านั้น ตะกอนที่มีอายุน้อยต้องการอุณหภูมิที่ค่อนข้างสูงเพื่อแปรสภาพสารอินทรีย์ที่สะสมตัวปนกับตะกอนไปเป็นปิโตรเลียม สำหรับ "น้ำมันหนัก" (Heavy oil) ซึ่งหมายถึง น้ำมันดิบที่มีลักษณะหนืด หรือมีค่าความถ่วง เอ พี ไอ ต่ำ จะเกิดจากการแปรสภาพสารอินทรีย์ที่ระดับอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับ "น้ำมันเบา" (Light oil) หรือน้ำมันดิบที่ค่อนข้างเหลว และมีค่าความถ่วง เอ พี ไอ สูง ซึ่งเกิดจากการแปรสภาพของสารอินทรีย์ ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูงกว่า

            โดยทั่วๆ ไปแล้ว จะต้องใช้เวลาหลายล้านปี เพื่อแปรสภาพสารอินทรีย์ไปเป็นปิโตรเลียม หินต้นกำเนิดปิโตรเลียม (Source rock) ที่มีอายุน้อยที่สุด ซึ่งสามารถให้กำเนิดปิโตรเลียมได้ จะมีอายุในสมัยไพลโอซีน (Pliocene period) หรือประมาณ ๑.๘ ถึง ๕ ล้านปี โดยหลักการเบื้องต้นนั้น ถ้าสภาพอุณหภูมิของหินต้นกำเนิดมีค่าสูงกว่า ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ น้ำมันดิบก็จะแปรสภาพไปเป็น กราไฟต์ (Graphite) และแก๊สธรรมชาติ สารอินทรีย์และถ่านหินก็จะแปรสภาพไปเป็นแก๊สธรรมชาติด้วย ในระดับอุณหภูมิที่สูงดังกล่าวนี้ จะมีแก๊สธรรมชาติเกิดขึ้น ในอัตราที่รวดเร็วมาก มีชื่อเรียกว่า แก๊สเทอร์มอล (Thermal gas) ซึ่งในกระบวนการเกิดแก๊สเทอร์มอลนี้ จะเกิดแก๊สธรรมชาติที่เรียกว่า แก๊สเปียก (Wet gas) ขึ้นมาก่อน และเมื่อระดับอุณหภูมิสูงขึ้นอีก ก็จะเกิดแก๊สธรรมชาติชนิดแก๊สแห้ง (Dry gas) ตามขึ้นมา

            ที่ระดับความลึกซึ่งมีอุณหภูมิระหว่าง ๑๒๐ ถึง ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ จะเกิดน้ำมันดิบ ซึ่งมีชื่อเรียกว่า ออยล์วินโดว์ (Oil window) เหนือช่วงระดับความลึกนี้ จะเป็นบริเวณที่เกิดแก๊สธรรมชาติที่เรียกว่า แก๊สไบโอเจนิก (Biogenic gas) นอกจากนี้ ใต้ระดับความลึกที่เกิดออยล์วินโดว์ก็จะเกิดแก๊สเทอร์มอลขึ้นด้วย

ภาพตัดแสดงลักษณะธรณีวิทยาปิโตรเลียมใต้ผิวดิน