Petroleumets fysiska egenskaper beror på dess kemiska sammansättning. Färgen sträcker sig till exempel från färglös, ljusgul, gulbrun, mörkbrun, svart grön till svart. Oljebrunnarna i gurkkullen, Sichuan och Dagang, Norra Kina producerade en gång färglös olja. Bildandet av färglös petroleum kan vara relaterad till adsorption av färgade kolloider och asphaltener av stenar under migreringen. I allmänhet är densiteten hos lätt olja liten, och densiteten hos mörk olja är stor. Oljan med låg densitet och ljusfärg är ofta paraffin, med mer oljeinnehåll, och mer bensin och smörjolja kan erhållas efter bearbetning; Oljan med hög densitet och mörk färg är rik på hög molekylvikt asphaltene. Geologer kallar oljan som flödar till marken "oljeplanta" och naturgasen som kommer från marken "gasplanta". De flesta oljeplantor blir asfalt på grund av förångning av lätta komponenter. Den tidigaste olje- och gasprospekteringsmetoden är att hitta olje- och gasplantor först.
Viskositet är en viktig fysisk egenskap hos petroleum. Viskositet är det omvända måttet på vätskeflödesprestanda, uttryckt i absolut dynamisk viskositet, i pascals. Oljans viskositet begränsas av oljas temperatur, tryck och kemiska sammansättning. Med temperaturökningen minskar oljeviskositeten. Därför är oljans viskositet i djup underjordisk än den på marken, och den är lätt att flöda. Olja med hög densitet och mörk färg har hög viskositet och lätt olja har låg viskositet. Viskositet påverkar flödet av olja i brunnen och i oljeledningen, vilket har stor betydelse för oljefältsproduktionen och oljetransporterna. Fluorescens är luminescencefenomenet olja under ultraviolett bestrålning. Fluorescensen av ljusolja är ljusblå, oljan med mer tuggummi är grön och gul och oljan med mer asphalten är brun. Oljans sammansättning och innehåll kan bestämmas grovt genom att identifiera bergprover med fluorescensanalys.
