天然氣的主要成分為烷烴，其中甲烷占絕大多數，甲烷的化學式為CH4，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外壹般有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣和少量壹氧化碳及微量的稀有氣體，如氦和氬等。
天然氣按在地下存在的相態可分為遊離態、溶解態、吸附態和固態水合物。