L'obtention d'un champ de pétrole demande une conjoncture géologique bien particulière: l'accumulation de matière organique en milieu anaérobie; un enfouissement juste ce qu'il faut, ni trop peu, ni trop profond; la migration des gouttelettes obtenues par la dégradation biochimique et thermique; la présence d'une roche poreuse et perméable pour accumuler ces gouttelettes; finalement, une architecture des couches géologiques qui permet qu'une roche couverture imperméable puisse sceller la roche-réservoir et former le piège.
Une première limitation à l'obtention d'un champ de pétrole est la nécessité d'avoir de la matière organique au départ du processus. Or, même si la vie est apparue sur terre il y a au moins 3,5 milliards d'années (voir section 4), l'abondance de matière organique n'existe que depuis à peine 500 à 600 Ma. Il devient donc pratiquement inutile de rechercher du pétrole dans des roches qui sont plus vieilles, comme par exemple dans le bouclier canadien.
Même si par la suite toutes les conditions ont été satisfaites, enfouissement, migration, réservoir et pièges, il reste une autre limitation: que les géologues puissent découvrir ce piège. Avec toutes ces conditions, on comprend facilement que l'exploration pétrolière se fonde sur un cheminement complexe comportant toute une suite d'études scientifiques et techniques coûteuses. Il nous faut tenter d'établir si, dans le sous-sol, ce qu'on appelle la sous-surface en géologie du pétrole, il y a des couches qui peuvent avoir servi de roches-mères, s'il y a d'autres couches qui peuvent avoir agi comme réservoirs ou couches imperméables, et si la structure, les plis et les failles, présentent des situation de pièges.
La formulation de stratégies d'exploration fait appel à plusieurs secteurs de la géologie et de la géophysique:
Même après toutes ces études, on ne sait toujours pas s'il y a du pétrole: le seul test, c'est le forage, une opération qui se chiffre en million(s) de dollars.
Avec ces informations, on comprend plus facilement que l'exploration pétrolière ne soit pas à la portée d'un simple prospecteur, mais qu'elle est faite plutôt par des sociétés et même, le plus souvent, par des consortiums de sociétés pétrolières.
Le charbon est un autre combustible fossile. Même s'il est de moins en moins utilisé comme source de chaleur pour les habitations, il demeure toujours présent dans les activités humaines. Le charbon se forme lui aussi à partir de la matière organique, mais pas n'importe laquelle. Si les pétroles se forment à partir de la matière organique déposée dans les océans, les charbons eux se forment à partir des végétaux terrestres qui s'accumulent dans les zones anoxiques, comme les grands marécages. C'est d'ailleurs là une limitation au développement de dépôts de charbon: les végétaux terrestres ne sont apparus en abondance qu'il y a quelques 360 millions d'années (Ma). Inutile de chercher dans des roches plus vieilles que cet âge. Les charbons sont particulièrement abondants dans les couches de la période Carbonifère, c'est-à-dire cette période géologique qui se situe entre - 360 et -285 Ma. Il y a deux raisons à cela: d'abord l'avènement des végétaux terrestres en grande abondance à la fin du Dévonien - début du Carbonifère, puis possiblement le fait que les spécialistes de la dégradation biologique des végétaux ne semblaient pas avoir encore inventé les bons mécanismes et avoir acquis une grande efficacité pour débarasser la surface terrestre de ces végétaux qui s'accumulaient.