Η βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου, που αναφέρεται επίσης ως βιομηχανία πετρελαίου, αποτελείται από όλες τις διάφορες παγκόσμιες προσπάθειες εξαγωγής υδρογονανθράκων από τη γη και επεξεργασίας τους σε χρήσιμες ουσίες. Αυτή η βιομηχανία μπορεί να χωριστεί σε μια σειρά βασικών κατηγοριών, όπως η εξόρυξη, η επεξεργασία και η μεταφορά. Η εξόρυξη πετρελαίου και φυσικού αερίου μπορεί να πραγματοποιηθεί στη στεριά ή στη θάλασσα και υπάρχουν κοιτάσματα υδρογονανθράκων διαφόρων μορφών απλωμένα σε ολόκληρο τον κόσμο. Το συστατικό επεξεργασίας της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου είναι υπεύθυνο για την παραγωγή των καυσίμων βενζίνης και ντίζελ που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία των αυτοκινήτων, αλλά επίσης συμβάλλει στην παραγωγή πλαστικών, λιπασμάτων και πολλών άλλων ουσιών. Η διανομή της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου περιλαμβάνει αγωγούς, δεξαμενόπλοια και άλλα μέσα μεταφοράς πρώτων υλών σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας και διυλισμένων υλικών στους τελικούς χρήστες και σε άλλες βιομηχανίες.
Τα μη επεξεργασμένα προϊόντα πετρελαίου έχουν χρησιμοποιηθεί από τον άνθρωπο από την προϊστορική εποχή, αν και η βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου είναι σχετικά νέα. Η βιομηχανική εξόρυξη και η επεξεργασία του πετρελαίου ξεκίνησε μόλις τον 19ο αιώνα, και τα φυσικά έλαια και ο άνθρακας συνέχισαν να είναι κύριες πηγές θερμότητας και ενέργειας μέχρι τον 20ο αιώνα. Οι πρώιμες προσπάθειες εξερεύνησης και εξόρυξης υδρογονανθράκων πραγματοποιήθηκαν στην Πενσυλβάνια των Ηνωμένων Πολιτειών, καθώς και σε άλλες τοποθεσίες όπως η Ρωσία. Τα πρώτα σύγχρονα διυλιστήρια κατασκευάστηκαν τη δεκαετία του 1850 και το πρώτο πετρελαιοφόρο χρησιμοποιήθηκε για τη μεταφορά πρώτων υλών το 1878.
Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες που απαρτίζουν τη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου, οι οποίες αναφέρονται ως ανάντη και κατάντη. Οι εργασίες ανάντη αναφέρονται συχνά ως το στοιχείο εξερεύνησης και παραγωγής (E&P) της βιομηχανίας πετρελαίου. Αυτές οι εργασίες περιλαμβάνουν την αναζήτηση νέων αποθεμάτων πετρελαίου, τη γεώτρηση ερευνητικών γεωτρήσεων και την άντληση υδρογονανθράκων στην επιφάνεια.
Το ανάντη συστατικό της βιομηχανίας πετρελαίου είναι επίσης υπεύθυνο για τον διαχωρισμό των διαφορετικών υδρογονανθράκων, συνήθως σε αργό πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Πολλά κοιτάσματα υδρογονανθράκων περιέχουν και τα δύο αυτά προϊόντα, αν και δεν έχουν σχεδιαστεί όλες οι εργασίες ανάκτησης για τη σύλληψη και των δύο. Ορισμένες εργασίες γεώτρησης απλώς καίνε το φυσικό αέριο ή το εγχέουν ξανά στη γη.
Η επεξεργασία και η μεταφορά είναι οι κύριες κατάντη δραστηριότητες της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου. Το φυσικό αέριο και το αργό πετρέλαιο μεταφέρονται συχνά μέσω της ξηράς με αγωγούς, αν και τα μεγάλα δεξαμενόπλοια μπορούν επίσης να μεταφέρουν υδρογονάνθρακες πάνω από το νερό. Ο τομέας επεξεργασίας της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου αποτελείται κυρίως από διυλιστήρια, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του αργού πετρελαίου σε ποικιλία χρήσιμων προϊόντων. Αυτό επιτυγχάνεται κυρίως μέσω κλασματικής απόσταξης, αν και διαφορετικοί τύποι πυρόλυσης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη συγκεκριμένων ειδών υδρογονανθράκων.