คุณสมบัติทางกายภาพของปิโตรเลียมขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี ตัวอย่างเช่น สีมีตั้งแต่ไม่มีสี เหลืองอ่อน น้ำตาลอมเหลือง น้ำตาลเข้ม เขียวดำ ไปจนถึงดำ บ่อน้ำมันบนเนินเขาแตงกวา เสฉวนและต้ากัง ทางตอนเหนือของจีนเคยผลิตน้ำมันไร้สี การก่อตัวของปิโตรเลียมไร้สีอาจเกี่ยวข้องกับการดูดซับคอลลอยด์สีและแอสฟัลต์ทีนโดยหินระหว่างการย้ายถิ่น โดยทั่วไป ความหนาแน่นของน้ำมันเบาจะมีน้อย และน้ำมันสีเข้มจะมีความหนาแน่นสูง น้ำมันที่มีความหนาแน่นต่ำและสีอ่อนมักจะเป็นพาราฟิน โดยมีปริมาณน้ำมันมากกว่า และสามารถรับน้ำมันเบนซินและน้ำมันหล่อลื่นได้มากขึ้นหลังการแปรรูป น้ำมันที่มีความหนาแน่นสูงและสีเข้มนั้นอุดมไปด้วยแอสฟัลต์ทีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง นักธรณีวิทยาเรียกน้ำมันที่ไหลลงสู่พื้นดิน"ต้นกล้าน้ำมัน" และก๊าซธรรมชาติที่โผล่ออกมาจากพื้นดิน"กล้าไม้แก๊ส". ต้นกล้าน้ำมันส่วนใหญ่กลายเป็นแอสฟัลต์เนื่องจากการระเหยของส่วนประกอบเบา วิธีการสำรวจน้ำมันและก๊าซแบบแรกสุดคือการหาต้นกล้าน้ำมันและก๊าซก่อน
ความหนืดเป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญของปิโตรเลียม ความหนืดคือการวัดแบบผกผันของประสิทธิภาพการไหลของของไหล ซึ่งแสดงเป็นความหนืดไดนามิกสัมบูรณ์ในหน่วยปาสกาล ความหนืดของน้ำมันถูกจำกัดโดยอุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบทางเคมีของน้ำมัน เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนืดของน้ำมันจะลดลง ดังนั้นความหนืดของน้ำมันที่อยู่ใต้ดินลึกจึงน้อยกว่าความหนืดบนพื้นดินและไหลง่าย น้ำมันที่มีความหนาแน่นสูงและสีเข้มมีความหนืดสูงและน้ำมันเบามีความหนืดต่ำ ความหนืดส่งผลต่ออัตราการไหลของน้ำมันในบ่อน้ำมันและในท่อส่งน้ำมัน ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากในการผลิตบ่อน้ำมันและการขนส่งน้ำมัน การเรืองแสงเป็นปรากฏการณ์การเรืองแสงของน้ำมันภายใต้การฉายรังสีอัลตราไวโอเลต การเรืองแสงของน้ำมันเบาเป็นสีน้ำเงินอ่อน น้ำมันที่มีเหงือกมากกว่าจะเป็นสีเขียวและสีเหลือง และน้ำมันที่มีแอสฟัลทีนมากกว่าจะเป็นสีน้ำตาล องค์ประกอบและปริมาณของน้ำมันสามารถกำหนดได้คร่าวๆ โดยการระบุตัวอย่างหินด้วยการวิเคราะห์การเรืองแสง
