油气成因理论的发展大致经历了四个阶段，即无机成因说、早期有机成因说、晚期有机成因说和以晚期有机成因为主但兼顾其它因素贡献的成烃理论。由于石油工业早期找到的更多的是油，因此早期的油气成因理论更多关注的是油的成因问题。但现代的石油成因理论应既包括油也包括气。
油气的无机成因说
无机成烃说认为，油气是由无机化合物经化学反应形成的。它们或者是由地球深部高温条件下原始碳或其氧化态经还原作用形成，如门捷列夫（1876）提出的碳化说，库德梁采夫（1951）提出的“岩浆说”；或者是在宇宙（地球）形成初期即已经存在，后来随着地球冷却被吸收并凝结在地壳的上部，由这些碳氢化物沿裂隙溢向地表过程中便可形成油气藏。如索柯洛夫（1889）、Gold等提出的宇宙说。这一观点在二十世纪三十年代之前占支配地位。
按照这一学说，无机成因油气不仅存在，而且远景巨大，将有可能比有机成因的油气潜力大得多，其蕴藏量几乎是取之不尽的（陈沪生，1998）。较典型的有如对中东油气富集的认识：波斯湾地区几十个油气田分布在一条500英里长的地带，占地球表面积不到2%，却拥有世界可采储量的50%以上。这些油气藏显示了很宽的地质年龄谱；而且烃类产在构造和地层变化都很大的环境中，各种圈闭都是严重泄漏的，油气渗流随处可见，且由来已久；显然是一种过度供给的情形。这里的石油组成极为相同，因而推测它们是同一来源。但这个来源是什么呢？不少地质学家认为可能是地幔来的无机成因烃源。
油气的早期有机成因说
石油有机成因的早期说认为，石油是由沉积物（岩）中的分散有机质在早期的成岩作用阶段经生物化学和化学作用形成的。即这一学说认为，石油是在近现代形成的，由许多海相生物中遗留下来的天然烃的混合物，即它仅仅是生物体中烃类物质的简单分离和聚集。由于此时的有机质还埋藏较浅，故也被称为浅成说。这一学说在十九世纪末期即被提出，但在上世纪三十年代到六十年代，受到更多的关注。
概括起来，支持油气（早期）有机成因学说的主要证据有：
（1）99%以上的石油产自于与有机质密切有关的沉积岩，产油的储层岩系与富含有机质的细粒岩石有密切的关系。
（2）许多生物标记化合物，如卟啉、异戊二烯型烷烃、甾烷、萜烷，在原油中的普遍存在及石油的旋光性强烈支持其有机成因。
上述具有特征、复杂结构的生物标记化合物只可能由生命过程合成。无机过程虽然也能合成具有旋光性的手性碳原子结构，但它所合成的左旋、右旋结构一般相当，从而表现不出旋光性，只有生命体中才能选择性的合成单一的结构，而体现出旋光性。
（3）石油和动植物残体之间的组成及碳同位素组成的相近性提供了两者之间成因联系的进一步证据。
（4）在近代沉积物（如深海钻探计划（DSDP）的取样中）和有关的生物体中存在烃类及有关的化合物。如Smith（1954）引进先进分析技术，首次在现代沉积物中发现了烃类。这是一次飞跃性的突破，为此获得了诺贝尔奖。
（5）部分油气区的勘探实际显示，形成较早的圈闭（如浅于600m）有油气聚集，而较晚的圈闭则为空圈闭，表明了石油的早期生成和早期运移、聚集、成藏。
但这一学说也存在明显的弱点和不足，主要体现在：
（1）于沉积物和生物体中发现的烃类和原油中的烃类存在非常大的差别，例如，许多现代沉积物中的正构烷烃存在明显的奇偶优势，但绝大多数原油中的
正构烷烃却没有奇偶优势。
（2）存在于生物体和年青沉积物中的烃类数量太少，远不足以形成勘探所发现的商业性的石油聚集。据保守估计，要形成商业性的石油聚集，沉积物中的烃浓度至少需要几百ppm以上，而事实上，沉积物中烃浓度小于几十ppm。
（3）大多数原油产自于埋深1000m以深的产层中，而不是像浅成说所期待的哪样产于较浅处。因此它也不能很好地指导油气勘探实践。
因此，尽管也有人直到上世纪九十年代还坚持认为，石油主要是有机质在浅埋的早期阶段生成并运移、聚集、成藏的，现今多数油藏显示成熟的特征是它们在储层中进一步熟化的结果，但绝大多数的证据并不支持大量石油的早期生成。
油气的晚期有机成因说
晚期有机成因说认为，并入沉积物中的生物聚合体首先在生物化学和化学的作用下，经分解、聚合、缩聚、不溶等作用，在埋深较大的成岩作用晚期成为地质大分子－干酪根，之后，随着埋深的进一步增大，在不断升高的热应力的作用下，干酪根才逐步发生催化裂解和热裂解形成大量的原石油（或称为沥青，包括烃类和非烃类），在一定的条件下，这些原石油从生成它的细粒岩石中运移出来，在储层中聚集成为油气藏。与早期成因说相同的是，它也认为油气源于有机质，但不同的是，它认为石油不是生物烃类的简单分离和聚集，而是先形成干酪根，之后在较大的埋深和较高的地温条件下才在热力的作用下转化形成。它也被称为深成说（此时有机质的埋深已经较大）和干酪根成烃说（有机质先形成干酪根，干酪根再生油气）。
这一学说的主要立论依据除了上节提到的早期成烃说的前4点依据和和3条不足之处外，还有：
（1）大量的实验室内的热模拟实验已经证实，干酪根在实验室受热时，的确可以产生大量类似于油的烃类和非烃类产物。
（2）自然地质剖面的实际资料显示，富含有机质的沉积岩中的烃类含量在达到一定的深度后开始大量升高。
自Tissot等人提出并证明干酪根晚期成烃说之后，这一理论在指导油气勘探，提高油气勘探成功率方面发挥了巨大的作用，曾经被认为与石油地质学和地球物理勘探一道构成了现代油气勘探的三大理论支柱。可以说，油气地球化学（早期为石油地球化学）作为一门单独的学科从油气地质学中独立出来正是以干酪根成油学说的提出和完善为标志的。
但是，干酪根成烃学说在有效地指导油气勘探的同时，也存在一些尚待解决的问题：
（1）在有些地质条件下，在干酪根成烃理论以为的难以大量成油的浅埋条件下，的确生成并排出、聚集了与正常干酪根成熟油相比具有明显不同特征的未熟油。生物甲烷气可以大量生成，更是早已证实的非干酪根成烃过程，而生物气的储量可能已经占到世界天然气储量的1/4(Rice等，1981）。我国已在柴达木盆地找到储量超过一千亿方的大型生物气田。
（2）勘探中也的确发现一些油气（主要是天然气）存在无机成因的踪迹，如气体碳同位素系列的倒转现象、幔源的伴生气等。不过，迄今为止，尚没有一个油气田被确切地证明为属于无机成因。
（3）近些年来的国内外的一些学者的探索还显示，在有机质成烃的过程中，可能与周围的无机体系存在物质交换，如深部地热流体可能为有机质成烃提供了补充氢源，从而提高了有机质的产烃率（相当于有机无机作用共同成烃，以有机作用为主）。氢同位素的分析已经揭示，有机质的氢同位素受环境水的氢同位素的影响，这至少表明，水体中的氢可能与有机质中的氢存在交换反应。模拟实验也揭示，有水或加氢的条件下，有助于提高有机质在受热过程中的成烃量，表明无机成分也可以参与有机质的成烃过程。
一个完善的油气成因理论应该反映勘探实践及相关研究揭示的上述事实。这就是现代的油气成因理论。
