18世纪中期，人们就在有油气苗的位置或其附近凿井，发现在一些背斜脊部有油渗出。1861年加拿大T.S.亨特、1863年俄国T.V.阿比赫和1885年美国I.C.怀特等地质学家先后提出了背斜找油理论。直到20世纪50年代，背斜理论都是找油的主要理论，在该理论的指导下一大批大型和特大型油气田被发现。

石油地质学第二个重要的理论进展是圈闭理论的提出和对油气藏类型的认识。1920年美国东得克萨斯地层油藏发现后，提出了圈闭和地层圈闭的概念；1934年美国学者E.H.麦科洛正式建立“圈闭学说”，他指出造成圈闭要具备三个条件：储集层、盖层和遮挡物。圈闭理论是继背斜理论之后又一个重要的石油地质学理论，它是对背斜理论的重要补充和完善。人们认识到，不仅背斜可以聚集油气，一些由岩性、地层和复合因素形成的圈闭也是油气聚集的有利场所，油气勘探的领域随之扩大。

石油地质学的第三个重大理论进展是有机生油理论和初次运移理论的建立。19世纪初期，地质学家根据野外观察，认为石油起源于沥青质页岩，并运移到砂岩中。在石油无机与有机成因的长期激烈争论中，有机说提供了很多重要证据，且不断地完善。1963年，美国的P.H.艾贝尔森提出，石油是沉积物的干酪根在成岩过程的晚期经过热解生成的。70年代，法国的地球化学家B.P.蒂索等以巴黎盆地下托尔页岩为研究对象，揭示了干酪根转化成油的机理，形成了干酪根热降解成因说。干酪根热降解成因说的建立使生油研究从一种理论探讨成为直接指导油气勘探的有效理论，其指导世界油气勘探40多年，取得了大量勘探成果，是油气勘探的主要基本理论。在生油理论研究的同时，日本的真柄钦次等学者对油气初次运移开展了研究，解决了油气初次运移的动力、相态、通道等基本问题。干酪根热降解生烃理论和油气初次运移理论的建立极大地丰富了石油地质学理论，使石油地质学从20世纪50年代以前的以要素研究为主的时代进入了要素研究和过程研究并重的时代。

进入20世纪90年代，油气勘探的难度越来越大，仅靠生油理论和圈闭理论（包括背斜理论）已不能满足油气勘探的需求，地质学家开始更多地关注油气从源岩到圈闭的成藏过程，油气成藏理论得到了迅速发展。1990年，美国的J.M.亨特提出了流体封存箱成藏理论，将油气成藏的生储盖等静态要素与温度压力等动态条件结合起来研究，使人们对油气运移和成藏过程有了新的认识。1994年，L.B.马贡和W.G.道进一步完善了道等人在1972年提出的油气系统的概念和研究方法，强调用地质作用将各地质要素连接为一个有机的整体，以过程恢复为主线，以关键时刻为时间界面的成藏要素与成藏作用的组合关系的研究为重点，用综合观、动态观和系统观的思路研究一个盆地油气藏的形成与分布。对油气运移通道和输导体系、油气运移方向和路径的示踪、油气成藏动力、油气成藏期次和成藏时间等方面的研究取得了显著进展，形成了一门研究油气成藏的分支学科——油气成藏动力学，并在油气勘探中发挥重要作用。

进入21世纪，随着油气勘探的进一步深入，人们发现了很多与传统油气聚集理论不相符的油气聚集类型，如页岩油和页岩气、致密油和致密气、煤层气等。这些油气聚集类型称为“非常规油气聚集”。2013年美国页岩气产量已达到3100亿立方米，占天然气总产量的45%，致密气产量约为1370亿立方米，占天然气总产量的20%。非常规油气聚集的大量发现使传统油气聚集理论受到了挑战，世界各国学者开始对非常规油气聚集机理进行研究，并对页岩储层和致密储层油气赋存状态、储集空间、聚集机理、充注条件等基础理论问题取得了一系列重要认识。非常规油气聚集的发现和研究，不仅开辟了油气勘探的新领域，同时引发了一场“石油地质学革命”，它改变和完善了许多石油地质学的基本概念和基本理论，使石油地质学的发展进入了一个新时代。

中国石油地质学是随着油气勘探实践形成和发展起来的。近代石油工业可以上溯到清政府1878年在台湾设立中国第一个开发石油的矿油局并钻成第一口近代油井。直到1939年，甘肃玉门老君庙油田的投入开发，才初步建立了近代石油工业的基础。

中国石油地质学理论重点是围绕中国陆相沉积生油和复杂地质背景下成藏两大问题。中国石油地质学起源于20世纪20～30年代，中国地质学家对陕北、四川、甘肃、新疆等地进行了石油地质调查，陆续完成了一些石油地质调查报告。1941年，潘钟祥最早提出了陆相成油的观点（见陆相生油说）。1949年前，李四光、谢家荣、翁文灏、黄汲清、翁文波等地质学家都曾对中国部分地区的油气远景做出过预测和评价。1949年后，中国油气勘探事业和石油工业的快速发展促进了中国石油地质学的发展，逐渐形成了陆相生油理论、源控论、陆相盆地复式油气聚集带理论、未熟-低熟油与煤成油理论、天然气运聚动平衡理论等一系列具有中国特色的石油地质理论。

石油地质学的主要内容包括以下方面：①石油、天然气、固体沥青、油田水的组成、物理性质和分类。②石油天然气成因与烃源岩。油气成因的研究包括无机成因和有机成因，重点是干酪根热降解成因说，包括油气生成的原始物质、油气生成的动力条件、有机质演化和生烃模式、烃源岩研究与评价、油气源对比。③储集层和盖层。储集层和盖层是形成圈闭和油气藏必不可少的条件之一。重点研究储集层的类型、储集空间和储集性能、影响储集空间发育和储集物性的主要因素、盖层的类型和封闭机理、储集层和盖层的评价等。④圈闭和油气藏。研究圈闭和油气藏的类型、基本特征，不同类型圈闭的形成条件和分布规律。⑤油气运移。包括油气初次运移和油气二次运移，研究油气运移的动力和阻力、相态、运移通道和输导体系、油气运移的方向和时期等。⑥油气藏的形成和保存条件。研究油气藏形成的基本条件、油气聚集的基本原理、不同类型油气藏的聚集机理以及油气藏的保存与破坏等。⑦油气田、油气聚集带、油气系统和含油气盆地的地质特征及类型。⑧含油气盆地油气分布规律。

石油地质学与流体力学、有机地球化学、地球物理学、构造地质学、沉积岩石学和岩相古地理学等有密切的关系。例如，有机地球化学的发展，以及色谱、色谱-质谱、红外光谱、电子显微镜和同位素分析等技术的广泛采用，为解决石油成因问题创造了良好的基础。一些重要的油气藏与河道砂、三角洲砂、浊积砂等类型沉积砂和礁密切相关，而这些类型的砂体和礁的分布受沉积体系的控制，因此，只有通过研究沉积岩石学和岩相古地理，才能确定储集岩分布的有利地带。石油地质学与构造地质学关系十分密切。油气的运移和聚集受盆地区域构造和局部构造条件的控制，要想成功地找到与背斜构造、断裂构造以及不整合面有关的油气田和油气聚集带，就必须深入掌握有关构造地质规律。为了确定储油气构造和各类沉积砂体、生物礁的位置和形态，常需要借助于地球物理学中地震勘探方法特别是多属性地震分析的理论和技术。

石油是人类历时250年工业化过程中最重要的能源之一，人类对石油的需求使石油地质学取得了很大进展，未来的发展方向包括：①勘探实践表明蒂索提出的有机质演化模式并不完善，未熟-低熟油、深层超深层油气田期待着有机生油理论的进一步发展；有机生油也许并非唯一的生油理论，无机生油理论的研究并未走到尽头。②非常规油气聚集理论尚在研究中，可能在未来的油气勘探中发挥更大作用。③构造地质学、沉积学、地球化学等相关学科的发展将继续促进石油地质学的进一步发展。④盆地分析和模拟将会推动石油地质研究向定量化、模式化方向发展，三维地质格架和地质参数描述的精细化将推动盆地模拟预测功能的实用化。⑤融“常规油气聚集”与“非常规油气聚集”为一体的石油地质学正在形成。