焦油是一種複雜的混合物，主要含有碳、氫、氧、氮和硫的化合物，以及少量的金屬元素。
焦油在石油煉製或焦化過程中作為副產品產生，其主要成分包括多種具有極性和非極性的複雜有機化合物，例如烷烴、芳香烴、腈、酚、羧酸等。其中，高溫煤焦油主要由芳香烴組成，估計有上萬種組分，目前已查明約500種。在這些組分中，一些化合物含量較低，大約1%左右的組分僅有10多種。含氧化合物中主要包括酚類和少量的中性化合物；含氮化合物中，當氮原子上有氫原子相連時呈中性，無氫原子相連時呈鹼性；含硫化合物一般呈中性。
此外，焦油中的不飽和化合物雖然在含量上較少，但在特定條件下易聚合成煤焦油渣，這被視為有害成分。