원유 성분의 물리적 분해와 화학적 구조 변화를 이용하여 각 성분별로 분류하는 것을 말한다. 물리적 분리법으로는 증류나 용제추출이 있으며, 증류는 대상에 따라 상압 또는 감압 하에서 행해진다. 용제추출에는 용제로서 푸르푸랄(furfural), 페놀, 케톤, 프로판, 슬포란 등이 이용되며, 윤활유의 정제, 왁스분이나 아스팔트의 분리, 방향족의 회수 등에 응용된다. 탄화수소의 구조를 화학적으로 변화시키는 방법으로는 분해, 개질, 알킬화, 이성화 등이 있으며, 주로 가솔린의 증산이나 옥탄가 향상에 적용되고 있다. 종래에는 불순물의 제거에 약품세척, 활성백토처리 등이 널리 사용되었으나, 최근에는 수소화 정제처리가 주류를 이루고 있다.