天然气水合物的水分子式为M·nH₂O。M为气体分子，n为水合指数。气体分子包括CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀等同系物及非烃分子CO₂、N₂、H₂S等，其中主要气体为CH₄。天然气水合物资源潜力巨大，能量密度很高，形成保存条件独特，分布广泛，是一种远景巨大的新能源。天然气水合物含碳量约为全球已探明化石燃料（煤、石油与天然气）含碳量的2倍。标准状况下，一单位体积天然气水合物分解可产生160～180单位体积的甲烷气和0.8单位体积的水；一单位体积的天然气水合物发热量为煤的10倍或传统天然气的2～5倍。天然气水合物具有Ⅰ型、Ⅱ型和H型3种笼型结构。Ⅰ型结构为体心立方晶体，在自然界分布最为广泛，能容纳甲烷（C₁）、乙烷分子（C₂）及CO₂、N₂、H₂S等非烃分子。Ⅱ型结构为面心立方晶体，除包容C₁、C₂等小分子外，水分子晶格空间还可容纳丙烷（C₃）及异丁烷（i-C₄）等烃类。H型结构为六方晶体，可容纳直径超过异丁烷（i-C₄），如i-C₃和其他直径在0.75～0.86纳米的分子。生物成因甲烷气具有Ⅰ型、Ⅱ型结构，H型结构的天然气水合物属于热成因气，较为少见。Ⅱ型和H型水合物比Ⅰ型水合物更为稳定。在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色；呈亚等轴状、层状、小针状结晶体或分散状，存在于岩石粒间孔隙或裂缝中。

天然气水合物的形成除低温高压条件外，还必须有充足的天然气来源和含水介质。根据形成环境的温度和压力条件，将天然气水合物的成因机制分为以低温条件为主控因素的低温成因和以高压条件为主控因素的高压成因。低温成因型形成条件是温度低而相对压力较小，如青藏高原冻土带浅部的天然气水合物和100～250米以下极低陆架海的天然气水合物。高压成因型是随埋深增大，压力增高而温度也因地温梯度相应增高，高压力对天然气水合物的形成起主导因素，如水深为300～4000米的海洋天然气水合物。根据天然气的来源，将天然气水合物成因分为原生气源型和再生气源型。原生气源型是指已存在的天然气田、煤层气田、深处迁移的热成因气体等因温度或裂隙压力或天然气浓度的变化而转变为天然气水合物，在此过程中无外来物质的加入，天然气水合物可与常规的天然气（油田）、煤层气（煤田）相伴而生。再生气源型是指特定的环境条件下，海洋里大量的生物和微生物死亡后留下的遗体不断沉积到海底，很快分解成有机气体甲烷，这些有机气体在压力的作用下填充到海底结构疏松的沉积岩空隙中，在低温和压力作用下形成天然气水合物。天然气水合物主要分布在两类地区：一类地区是水深为300～4000米的海洋海底以下0～1500米的松散沉积岩中，以及100～250米以下极地陆架海砂砺中；另一类地区是高纬度大陆地区永久冻土带。世界上90%以上的天然气水合物分布于板块聚合边缘大陆坡、离散边缘大陆坡、水下高地等大陆边缘海底的砂砾中，包括沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘，尤其是与泥火山、热水活动、盐（泥）底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中，分布面积达4000千米²，约占地球海洋面积的1/4。在中国，天然气水合物主要分布于南海北部陆坡、东海陆坡、南海海槽等海域，常以块状透镜状或浸染状分布于砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和坡积岩中。陆域的天然气水合物分布于青藏高原永冻土带。

19世纪早期，英国化学家H.戴维在实验室发现了气体水合物，1934年H.哈默斯密特在天然气输送管道内发现生成的天然气水合物会严重堵塞气体管道。60年代，苏联科学家在气田偶然发现了天然气水合物。70年代后，科学家发现天然气水合物不仅存在于永冻土带地下，海盆下的沉积物也有该物质。70年代末，在中美海槽执行深海钻探计划时，首次从该海域中发现9个海底钻孔含有天然气水合物，天然气水合物研究由此从陆地开始迈向海洋。自80年代实施深海钻探计划和后继的大洋钻探计划以来，世界各国的科学家积极投身水合物矿点的发现和开发当中。美国于1998年5月通过一个为期10年的天然气水合物研究与资源开发计划，目的是研究布莱克海台天然气水合物中甲烷资源的巨大潜力。1998年，日本国家石油公司与加拿大地质测量局和美国地址测量局合作，在加拿大西北部三角洲进行首次试钻，取得地下1150米永久冻土层天然气水合物砂质岩心。1999年，该公司在日本南海海槽完成两口钻井。根据初步调查评价，日本周缘气体水合物资源量可满足该国100年的能源消耗。印度于1995年制订了全国天然气水合物研究计划，已在其东、西海域（孟加拉湾、阿曼湾）发现多处标志天然气水合物的地球物理异常，显示出良好的找矿前景。德国从80年代后期曾利用“太阳号”调查船与其他国家合作，先后对东太平洋的俄勒冈海域以及西南太平洋和白令海海域进行了水合物的调查，在南沙海槽、苏拉威西海、白令海等地都发现与水合物相关的地震标志并获取水合物的样品。中国广州海洋地质调查局的科技人员对80年代早、中期在南海北部陆坡区完成的2万多千米地震资料进行复查，在南海北部陆坡区发现有似海底反射显示。中国广州海洋地质调查局于1999年10月首次在中国海域南海北部西沙海槽区开展海洋天然气水合物前期试验性调查。2000年9～11月，中国广州海洋地质调查局“探宝号”和“海洋四号”调查船在西沙海槽继续开展天然气水合物的调查。共完成高分辨率多道地震1593.39千米、多波束海底地形测量703.5千米、地球化学采样20个、孔隙水样品18个、气态烃传感器现场快速测定样品33个。2007年，由中国地质调查局组织、广州海洋地质调查局实施的中国天然气水合物钻探工程在南海北部成功钻获了天然气水合物实物样品，其具体位置为珠江口盆地南部的神狐地区，水深1230～1245米，初步结果显示水合物样品采自于海底以下183～225米处，呈分散浸染状分布，含水合物层段厚18～34米，水合物饱和度20%～34%，释放出的气体中甲烷含量达99.7%～99.8%。2017年5月，中国在南海神狐海域首次实现海域甲烷水合物试采，同年11月，国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种，成为中国第173个矿种。