地质证据表明煤由陆上植物遗骸所形成。虽然有多种次要组分，但植物的主要组分仅为纤维素和木质素。纤维素的经验化学式为C6H10O5，木质素接近为 C12H18O9，两者在 C、H 和 O 的比例方面相差不大。然而木质素的结构属芳香族型，它由碳原子的环状团所构成，苯环就是一个熟知的例子（图8.8）。纤维素则属于脂类结构（图8.8）。由于木质素有较强的抵抗微生物腐蚀的能力，纤维素却容易分解成CO2、CH4和脂肪酸，多数人认为木质素是煤的主要母质。当然，纤维素在类似的成煤条件下也能转变成芳香族化合物。
图8.8 几种有机化合物的结构
成煤过程既包括木质素或纤维素的腐解演化，还包含其他过程。木质素或纤维素均不含氮，但氮的化合物在煤中却不少。一些氮的化合物可能由蛋白质衍生，但煤中的氮含量比大多数植物高得多。因此，有人提出成煤的最初阶段细菌起主要作用，因为细菌的氮含量可高达13%。一般认为氧在煤中呈烃基、羧基、甲氧基和羰基形式存在，已有数据表明，在较高级的煤中烃基（OH）和羰基可保持氧原有含量，而其他基团中氧均发生贫化。
植物母质转化为煤的过程包括生物化学阶段及其他变质阶段。生物化学阶段主要为植物母质转变为泥炭的过程，微生物积极参与了有机质的改造。泥炭的形成过程包括：①水溶物质的迅速分解；②纤维素化合物的缓慢分解，泥炭的性质主要取决于这些化合物分解得是否完全；③微生物细胞物质的聚集。当被无机沉积物深埋或者发展成有毒环境等，变得不适于细菌活动时，生物化学阶段最终趋于结束。
植物母质通过泥炭向煤的进一步变化，能够由表8.6所列的化学分析数据
表8.6 各种等级煤的平均化学成分
清楚地显示出来，即由木质、泥炭、褐煤、沥青煤到无烟煤，碳的平均含量规律增长、氧逐步贫化、氢缓慢并有波动的贫化。煤的等级是煤所经历变质程度的度量，决定煤等级的地质因素主要有：①自埋藏以来的时间长短（古生宙的煤一般为高变质级煤，第三纪煤则为低变质级煤），但现在也有人认为时间对煤的等级没有直接影响；②来自地壳运动和侵入体的热作用；③褶皱和断裂过程中挤压产生的压力；以及④由埋藏深度引起的增温和增压。在这些因素中，最后一种因素最受重视，并且已被概括成希尔特法则（Hilt’s rule）：在煤层中随深度增大，固定碳的含量增高、挥发分的含量下降。一般情况下挥发物质含量的下降率为每100 ft（1 ft=30.48 cm）降低0.2%～0.8%。
从地球化学角度看，成煤过程主要表现为碳的增长及相伴的氧的贫化。氢也缓慢降低。该过程主要是一种还原过程。w（H）∶w（O）比值（%）在纤维素中为1∶8，在木质中为1∶7，而在无烟煤中增大到1∶1。
对成煤过程的化学反应尚知之不多。范克雷澳伦（Van Krevelen，1961）对煤的化学组成的研究表明，煤主要由高分子量的复杂有机化合物组成。在煤的分离产物中大部分是芳香族化合物，并且芳香族化的程度随煤的等级增高而增大，最后达到完全芳香族化而进入石墨阶段。显然，O可能呈OH或COOH基的形式存在，在变质升级时它作为H2O和CO2被排除，或者在最初阶段被地下水萃取。从沥青煤到无烟煤，氢含量迅速下降是变质过程甲烷被排出的反映。氮在煤中呈氨基团的形式或在环状结构中代替碳。煤的化学反应表明，在环状体系中碳大部分为饱和的环烷型结构（图8.8），并且以6—成员的环占优势。
煤最高级变质的产物是石墨。这种变质同岩石的变质作用很类似，但是煤中的有机化合物对温度和压力增长的反应要比矿物更加敏感和迅速。因此，煤的成分既是其本身，也是其围岩变质程度的灵敏指示剂。然而直到无烟煤阶段，其围岩还谈不上真正的变质。