Petrol ve doğal gaz yeraltında kayaçların mikroskopik gözeneklerinin ve çatlakların içerisinde bulunur. Petrolün yeraltında bir göl veya havuz içerisinde bulunduğu düşüncesi doğru değildir. Petrol ve doğal gazın aranması jeoloji, jeofizik ve petrol mühendisliği dallarının ortak çalışmasını gerektirir. Yeraltı formasyonlarında petrolün ve/veya gazın var olup olmadığı kesin olarak yalnızca sondaj yapılarak belirlenebilir. Petrolün varlığı ve ekonomik olarak üretilebilirliği sondajlarla kanıtlandıktan sonra üretim kuyuları delinerek petrolün yeryüzüne çıkartılması sağlanır. Petrol, yerin derinliklerinde bulunan kayaçların gözenekleri ve çatlakları içerisinden akarak üretim kuyusuna ulaşır.

Bir petrol veya gaz kuyusunun delinmesi işlemi petrol ve doğal gaz mühendisliğinin bir alt sınıfı olan Sondaj (kuyu delme) Mühendisliği'nin görev alanına girer. Petrol veya gaz amaçlı delinen kuyuların pek çoğu petrollü veya gazlı çıkmaz ; kuru kuyu adıyla anılır ve terkedilirler. Eğer bulunan petrol ve/veya gaz rezervi ekonomik ise, diğer bir deyişle üretim için yapılacak parasal yatırımı karşılayacak düzeyde ise, o zaman petrol ve gazın üretimi için sahanın geliştirme aşamasına geçilir. Ancak, bulunan petrol ve/veya gaz rezervi yapılacak parasal yatırımı karşılayamayacak kadar küçük ise, o kuyu petrollü veya gazlı dahi olsa, petrolün varil fiyatı yeterince yüksek düzeye erişene dek terkedilir.

Petrol ve gazın üretilmesi, boru hatları yoluyla ayrıştırma veya tüketim tesislerine aktarılması işlemi, petrol ve doğal gaz mühendisliğinin ikinci bir alt sınıfı olan Üretim Mühendisliği'nin görev alanına girer.

Ancak, yerin binlerce metre altındaki bir kayacın gözeneklerinde bulunan petrol ve gazın tamamının üretilebilmesi hemen hemen olanaksızdır. Petrol rezervuarından maksimum miktarda petrol üretebilmek, gözenekli ortamda petrol ve gaz akışın fiziğini belirlemeye yönelik zorlu ölçümler, ileri düzeyde matematik içeren hesaplamalar ve sayısal modelleme tekniklerinin kullanımını gerektirir. İşin bu parçası da petrol ve doğal gaz mühendisliğinin üçüncü bir alt sınıfı olan Rezervuar Mühendisliği'nin görev alanına girer.