天然气主要由气态低分子烃和非烃气体混合组成。烃类以甲烷为主（体积占到80％～90％），另含有少量乙烷、丙烷、丁烷等，通常碳数越大，含量越少。非烃气体主要是二氧化碳、氮气、硫化氢等。地下也有少数以非烃气体为主的气藏，例如，中国广东三水盆地沙头圩背斜古近系中发现的气藏中二氧化碳含量达99．53％，中国鄂西、江汉等地区发现氮气含量高达80％～90％的气藏。

天然气像石油一样，物理性质变化很大。通常为无色，有汽油味，有时有硫化氢味，并且可燃。天然气能不同程度地溶解于水和石油中，且在石油中的溶解度远超过在水中的溶解度。在较高压力下时，石油可溶解数百倍于自身体积的天然气。在标准状态下，天然气密度与空气密度之比为0．65～0．75，并随重烃气体、氮气、硫化氢、二氧化碳含量的增加而变大。当天然气在空气中的含量达到5％～15％，即爆炸极限时，遇明火会发生爆炸。

天然气常和石油伴生，但天然气的生成条件要比石油更多样化。就生成阶段来说，石油要达到一定的地下深度才能大量生成，而天然气从浅到深都能生成；就物质来源来说，生成石油主要以水中浮游的动植物或腐泥型有机质为主，而生成天然气除此以外还有高等植物或腐植型的有机质。

多样化的成气条件提供了更为广阔的找气领域。根据天然气的形成条件，大致可分为生物气、早期成岩气、油型气、煤型气和无机成因的天然气五种类型。生物气是在尚未固结成岩的现代沉积淤泥中，有机质在细菌作用下生成以甲烷为主的天然气。如果沉积物中的有机质在其埋藏深度尚未达到生成石油深度前，一部分腐植型的有机质就开始生成的甲烷，称为早期成岩气。油型气和煤型气分别与石油和煤伴生。无机成因的天然气是因火成岩或地热原因而产生的气体，如二氧化碳、甲烷、硫化氢等。