矿物能源蕴含的能量主要来自两个方面：①太阳能生成的能源，如煤炭、石油、天然气等化石能源中的能量，实质上是远古代生物凝结下来的太阳能；页岩油、天然气水合物等非常规油气资源近年来也得到了进一步勘探开发。②核能，如铀-235等核材料通过原子核裂变反应释放能量。这两方面能源均属于不可再生能源。

矿物能源中利用最广泛的是煤炭、石油和天然气，它们被称为三大矿物资源。

煤炭是远古代植物死亡后，在地层中高温、高压作用下发生一系列生物化学与物理化学作用后产生的高含碳量的固体可燃矿物。石油、天然气的形成则有有机成因说和无机成因说两种科学观点。前者认为是远古代生物的遗体在海底泥沙的缺氧环境中首先形成碳氢化合物，之后继续下沉到地层深处，在高温、高压作用下裂解形成石油和天然气；后者认为地底深处的极高温使得二氧化碳与氢反应形成甲烷等，构成天然气。而在地壳裂缝中的气体烃类物质的浓度和压力进一步升高后，转化为液体形态的烃类，产生了石油。

人类发现和利用这三种矿物资源的历史十分悠久。新石器时代晚期，中华民族的先民就已经发现了煤炭，并开始将其加工为雕刻品。至迟在西汉时期煤已经成为了生活和冶铁所用的燃料。同样在西汉，陕西地区的油田已经被发现，古代中国人将石油作为灯油、润滑油、涂料甚至药品使用。这得益于那时已经比较发达的钻井技术，四川地区在钻探盐井时也发现了冒出天然气的“火井”，并因地制宜地发展出使用天然气煮盐的工艺。

在西方，古希腊时期就有对使用煤的记载，古罗马人则已经批量开采煤炭用于供热和冶铁。古波斯、古希腊和古罗马人同样使用石油来照明、润滑和治疗皮肤病，而天然气则用于宗教活动的照明。7世纪时东罗马帝国出现了以石油、沥青等为原料的燃烧兵器——希腊火（Greek fire）。

18世纪末工业革命率先在英国兴起。伴随着蒸汽机的改良与普及，作为一种优质的动力燃料，煤炭用量有了爆发性的增长；19世纪中叶西方钻井技术的进步使石油的工业化生产成为可能；石油分馏技术的发明，让黏重的石油得以经过加工成为煤油、汽油、柴油等性能各异的燃料；内燃机的发明，更促使汽油、柴油成为了和煤炭一样重要的动力燃料。西方最早大量使用的天然气是煤气，18世纪末起，煤气灯率先在英国成为一种普遍的生活和公共照明工具。

如今，三大矿物能源的消费仍占据人类能源消费的80%以上。据统计，2016年全球石油消费占所有能源消费的33.2%，位列第一，煤炭和天然气则分别占28.1%和24.1%。同年，全球石油探明储量1.7067万亿桶，年产438 240万吨，消费441 820万吨；天然气探明储量186.6万亿立方米，产量35 516亿立方米，消费35 429亿立方米；煤炭探明储量113 933 100万吨，产量365 640万吨油当量，消费373 200万吨油当量。

在中国，煤炭仍是最主要的能源，2016年煤炭消费量约占总能源消费的62%，石油和天然气则约占19%和6%。

受油气资源的地理分布不平衡、世界能源需求大幅上升等因素的影响，为了扩大油气产量，在快速发展的能源科技支持下，一些曾被认为成本较高，难以进行商业开发的油气资源，得到了进一步的勘探与开发。其中石油资源有页岩油、油砂、油页岩等；天然气资源包括页岩气、煤层气、致密砂岩气、水溶气、天然气水合物（可燃冰）等。这类非常规油气资源如能得到有效利用，将极大地改变石油和石化工业的许多传统理念，并对世界政治、经济格局产生巨大影响。但这项事业同时也面临着技术、成本、可能引发新的环境问题等诸多不确定因素的挑战。

核能的开发是20世纪能源史上最重大的进展之一。核能作为一种矿物能源，主要的利用形式，是使用可控核裂变反应释放出的热能进行发电，也可以用于淡化海水或供热供暖。而对核聚变能量的利用，尚在探索之中。自1954年苏联建成世界第一座核电站以来，核电站技术已经发展至第四代，在经济性、安全性等方面都有了很大的提高。中国也在1991年建成了国内第一座核电站——浙江秦山核电站。到2016年底，全球共有30个国家在使用核电，运行中的核电机组446台，总装机容量约为390.8吉瓦（1吉瓦为10亿瓦）。此外，船用核动力电力推进装置不仅已经装备于航空母舰、潜艇等军用舰艇，也应用在破冰船、货船等民用船只上，使人类在河、海中的航行拥有了近乎无限的续航能力。裂变核燃料主要由铀加工而来，也包括经过核反应后形成并生产出的钚。钍在理论上也是一种储量丰富、使用安全的核燃料元素，但钍反应堆仍处于试验阶段，尚未投入商业应用。

此外，将放射性同位素衰变过程中产生的能量转化为电能，制成核同位素电池，也是核能利用的形式之一，主要用于航天器、心脏起搏器和其他需要长时间供能的小型用电装置。核电池的优点是寿命长、无噪音、体积小、不受外界环境影响等，缺点是热转化效率低、制造成本尚较高等。同位素电池中使用的放射性同位素，主要是锶-90和钚-239，两者的半衰期分别在28年和86年以上，可保证电池长时间使用。

矿物能源的使用便利了人类的生活，促进了工业发展和经济繁荣。但同时也带来了诸多环境问题。矿物资源的开发过程中产生的废水、废渣污染了水体和土地；而矿物能源的燃烧更是产生了大量的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和芳烃类化合物，造成了大气污染；二氧化硫进入大气后引发酸雨；二氧化碳造成地球的温室效应严重困扰着人类。此外，尽管核能在理论上是一种清洁、高效的能源，但在核电站运行的60多年来，相继出现了美国三里岛、苏联切尔诺贝利、日本福岛等严重核事故，引发了民众的担忧。

因此，如何提高矿物能源利用效率，改善其对环境的影响，寻找化石能源的代替能源，在首先保障安全性的基础上，发挥核能清洁、高效的优势，实现能源可持续发展，是全人类共同面临的重大课题。

煤矿生产的煤炭通过铁路运输