Doğal gazın oluşumu, karmaşık ve uzun bir süreçtir. Bu süreç, binlerce yıl süren biyolojik ve jeolojik olaylar sonucunda gerçekleşir. Organik maddelerin, özellikle deniz canlılarının ve bitkilerin, tortul tabakalar altında birikmesiyle başlar. Zamanla bu maddeler, yüksek sıcaklık ve basınç altında kimyasal dönüşüme uğrayarak, fosil yakıtlar arasında yer alan doğal gazı oluşturur. Bu nedenle, doğal gazın varlığı hem iklim koşullarına hem de yer altı jeolojik yapısına bağlıdır.

Doğal gaz, milyonlarca yıl önce yaşamış bitki ve deniz canlılarının tortul tabakalar altında uzun süre boyunca yüksek sıcaklık ve yüksek basınca maruz kalmasıyla oluşan fosil bir enerji kaynağıdır. Doğal gaz oluşum süreci şu şekilde gerçekleşir:

1. Organik maddelerin birikmesi. Deniz tabanında veya bataklık alanlarda ölü plankton ve bitki kalıntıları çamur ve tortularla birlikte tabakalaşır.
2. Tortul tabakaların sıkışması. Zamanla bu tortular üst üste birikir ve büyük basınç oluşturur.
3. Yüksek sıcaklık ve kimyasal dönüşüm. Yer kabuğunun derinliklerinde artan sıcaklık ve basınç organik maddeleri petrol ve doğalgaza dönüştürür.
4. Göç ve birikim. Doğalgaz, gözenekli kaya tabakaları arasından hareket ederek tuzak görevi gören geçirimsiz kayalara sıkışır ve rezerv oluşturur.

Doğal gaz, çoğunlukla petrol rezervleriyle aynı jeolojik alanlarda bulunur.