석탄은 주로 탄소로 구성되어 있고, 수소와 산소가 들어 있다. 이 밖에 질소 ·황 ·무기물 등이 들어 있다. 황이 많이 함유되어 있으면 연소할 때 불쾌한 이산화황 냄새가 난다. 무기물은 근원식물 자체에서 나온 것이 소량 있으나, 대부분 퇴적될 때나 퇴적 후에 지하수에 의하여 반입된 것이 많다. 석탄의 공업분석에서는 수분 ·회분 ·고정탄소 ·휘발분 및 황의 백분율 함량과 발열량을 칼로리 단위로 측정하게 되어 있다. 양질의 석탄은 수분이 적고 고정탄소와 휘발분이 많고 발열량이 6,000∼8,000kcal/kg이며, 갈탄인 경우 휘발분과 고정탄소의 양이 거의 같은 반면 무연탄은 휘발분이 거의 없는 대신 고정탄소의 함유율이 높다. 석탄 분자의 구조는 피츄멘과 후민질 분자구조 연구를 통하여 발전되었다. 따라서, 석탄 분자는 종합 방향고리를 단위체로 한 일종의 고분자로서 탄화도의 진행에 따라 축합도(縮合度)가 증가하여 무연탄에서 흑연이 된다. 동일 탄종이라도 산지에 따라 분자구조가 달라지며, 근래에 와서는 X선 ·적외선 ·자외선 ·분광법 ·전기적 방법 ·자기적 방법 ·열분석 및 레소로지 등이 석탄의 각 성분 연구에 많이 활용되고 있다. 단위체는 탄소사슬 등으로 연결되어 있어 저분자체(低分子體)를 감싸는 구조를 하고 있다.