天然气与石油的差别主要包括组成成分上的差别和物理性质上的差别。
(一)组成成分上的差别
总体上看，天然气和石油都是产出于地下岩石孔隙中的以烃类为主体的可燃有机矿产，成分都可分为烃类和非烃两大类，且均以烃类为主。因此从组成成分的大类上看，二者是相似的。
在相似性基础上，天然气与石油的组成成分又有着显著的差别。众所周知，烃类是一大类有机物质的总称，其成员众多，结构复杂。天然气中仅包含少数几个最简单的烃类成员，主要是甲、乙、丙、丁烷，戊烷以上所占比例甚微，总的趋势是随碳数的增加，其所占比例显著降低。石油则不同，几乎囊括了烃类的所有成员，至少是大部分成员。
表面上看，含烃类成员多少是天然气与石油的一个明显区别。成员多必然关系复杂，这是显而易见的，但这只是表观上的差别，实质性的差别还在于分子量的大小和分子结构上的差别。显然，天然气的分子量较小(平均分子量＜20)，分子结构简单;而石油的分子量从小到大均有(平均分子量为75～275)，结构也复杂得多。
石油与天然气在次要组分非烃成分上差别更为明显，天然气中非烃成分主要是CO2、H2S和N2。显然无论是分子量还是分子结构，与石油中含O、S、N及其他杂元素的非烃有机化合物相比，天然气都要简单得多。分子量、分子结构以及分子大小的差别是天然气与石油最本质的区别。可以说其他所有差别均源于此。
(二)物理性质上的差别
首先是相态的差别。天然气是单一气相，或以气相为主“溶”有少量液态烃;而石油是以液相为主的气、液、固三相混合物。由此而导致了二者密度、黏度、溶解度、压缩性、吸附性和扩散性等物理性质上的差别。密度、黏度和吸附性，天然气远小于石油;压缩性、扩散性和溶解度则天然气远大于石油。
基于天然气与石油在组成成分和物理性质上的差别，致使天然气从形成到聚集成为矿藏以及分布的地质条件都可能与石油有所区别。对此我们在进行油气勘探时必须考虑到。