天然气绝大多数是由气体化合物组成的混合体，由单一气体组分组成的较少见。
天然气中常见的化学组分有：烃类气（
甲烷—丁烷）、
二氧化碳、氮气、
硫化氢、汞蒸气、氢气、氧气、一氧化碳和稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙）等。
天然气的物理性质和化学性质与水和石油相比是完全不同的，通常为气态，容易流动。它的
相对密度一般较空气轻（相对密度为0.5～0.8），其中只有二氧化碳（1.519）和硫化氢（1.17）的相对密度较大。天然气一般情况下是无色的，但绝大多数都有特殊的气味，特别是非烃类气体如硫化氢组分更有特殊异味（臭鸡蛋味）。甲烷、
乙烷等烃类气体可燃，无毒，但可使人窒息。二氧化碳、氮气等不可燃，硫化氢为毒性极强气体，空气中极少的含量就可以使人致死。
烃类天然气以甲烷（CH4）气为主，并含有总量不多、各自数量不等的重烃（C2—C5）气。其中非烃气以氮（N2）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）较为常见。另外，天然气中还含有一氧化碳（CO）、
二氧化硫（SO2）、氢（H2）、汞（Hg）以及氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氙（Xe）及氡（Rn）等痕量至微量的稀有气体。