煤层气的化学组分有烃类气体(甲烷及其同系物)、非烃类气体(二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢和稀有气体氦、氩等)。其中，甲烷、二氧化碳、氮气是煤层气的主要成分，尤以甲烷含量最高，二氧化碳和氮气含量较低，一氧化碳和稀有气体含量甚微。
(一)烃类气体
煤层气的主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其他烃类气体含量极少。通常，同一煤阶烃类气体随埋藏深度的增大而增加。重烃气主要分布于未受风化的煤层中。此外重烃含量常常还与煤变质程度有关，一般中变质煤中重烃含量高，而低、高变质煤中低。
通常用甲烷气体(C1)与总烃量(C1—C5)的比率作为确定气体的干度指标(干燥系数)，若C1/C1—C5值大于99%，为特别干的气体;95%～99%为干气;85%～95%为湿气;小于85%，为特别湿的气体。
(二)非烃类气体
大多数煤层气中的非烃类气体含量通常均小于20%，其中氮气约占三分之二，二氧化碳约占三分之一。如美国阿巴拉契亚盆地、阿科马盆地和黑勇士盆地，其煤层气中非烃类气体含量极低，远远低于10%。在某些煤层气中，氮气和二氧化碳含量变化很大，如江西丰城煤矿煤层气的氮气含量变化在0.20%～83.39%之间，二氧化碳含量变化在0.02%～10.12%之间。氮气分子较小、运移速度快，因而主要受上覆盖层质量影响。二氧化碳易溶于水且易被地下水带走，因而二氧化碳含量主要受地下水活动影响。此外，氮气和二氧化碳含量亦受煤层埋深和煤变质程度影响。一般而言，越靠近地表氮气和二氧化碳的含量越高;煤变质程度越高氮气和二氧化碳的含量越低。
虽然煤层气的成分都是以甲烷为主，然而在不同盆地、同一盆地的不同部位、不同煤层、不同埋深、不同煤阶煤以及不同煤层气井之间，煤层气的组分往往会出现较大的差异。控制煤层气成分的主要因素有:①煤的显微组分特别是富氢组分的丰度;②储层压力，它影响煤对各组分的吸附能力;③煤化作用程度，即煤阶(煤级);④煤层气解吸过程，解吸阶段吸附性弱或浓度高的组分先解吸;⑤水文地质条件，它通过输送细菌产生次生生物气而影响煤层气成分(Scott，1993)。
Scott对产自美国1380多口煤层气井中985个气样的分析结果表明:煤层气的平均成分为:甲烷占93.2%，重烃占2.6%，二氧化碳占3.1%，氮气占l.1%。Rice(1993)对采自晚石炭世宾夕法尼亚组到新近纪煤层中的气体样品(气样直接采自矿井、煤样解吸气和地面开采的煤层气;煤阶从褐煤到无烟煤，Ro为0.3%～4.9%;含气煤层的深度从121.9lm的矿井到4419.38m的钻孔)进行了研究，通过该研究得出以下结论:世界各地煤层气的组分差异很大，煤层气的主要组分通常为甲烷和其他烃类组分，同时还含少量的CO2和N2。气体中烃的组成可用气体湿度(C2+ 即乙烷及其以上重烃百分含量)表示，湿度值一般介于0%～70.5%之间。