Recouverts de sédiments naturels, soumis pendant des millions d'années à des pressions gigantesques et chauffés par le noyau terrestre, les résidus organiques se transforment en pétrole brut… et en gaz naturel. On en distingue plusieurs sortes.

Le méthane thermogénique provient de la transformation due à la pression et aux températures élevées. Il est souvent associé à la présence de pétrole brut (gaz « associé »), mais peut également provenir d'interactions gazeuses à très grande profondeur (gaz « non associé »). Plus on s'enfonce dans la croûte terrestre, plus la part de gaz est importante, jusqu'à ne trouver que du méthane pur

Le méthane biogénique résulte de la décomposition des matières organiques par des micro-organismes. Il s'en forme tous les jours à la surface de la terre, et seule une infime partie est effectivement exploitée (biomasse, eaux usées, gaz de décharge…). Il sert notamment pour la cogénération (chaleur + électricité) ou comme additif dans les carburants (méthanol).

Les gaz dits non conventionnels se trouvent dans des sables compacts (gaz « coincés »), des roches poreuses, des schistes gazeux à très grande profondeur (5 000 mètres et plus), dans les gisements miniers (gaz de charbon), ou encore dans les fonds sous-marins. Ils constituent une part importante des réserves nord-américaines (notamment dans les Appalaches).

Les hydrates de méthane, qui proviennent des profondeurs des océans ou des zones de permafrost (Russie, Alaska), sont des molécules de gaz piégées sous haute pression et à basse température dans une « grille » de molécules d'eau. Les perspectives de réserves de cette ressource seraient importantes, mais les difficultés d'extraction constituent un frein à leur exploitation.