煤焦油是一種高芳香度的碳氫化合物的復雜混合物，絕大部分為帶側鏈或不帶側鏈的多環、稠環化合物和含氧、硫、氮的雜環化合物， 并含有少量脂肪烴、環烷烴和不飽和烴，還夾帶有煤塵、焦塵和熱解炭。剛回收的煤焦油還含有5%左右的溶有多種無機鹽和其他雜質的水分。由于有顆粒極細的熱解炭的存在， 水分往往和油形成穩定的乳化液。煤焦油的絕大多數組分熔點較高， 但由于大量單體化合物互相溶解而形成低共溶混合物， 使煤焦油在常溫下仍呈液體狀態。煤焦油的許多組分還組成大量多元共沸體系， 給蒸餾分離造成很大困難。高溫煤焦油含有1萬多種化合物， 按化學性質可分為中性的烴類、酸性的酚類和堿性的吡啶、喹啉類化合物。1819年，英國人加登 (Garden) 和布蘭德 (Brand) 在煤焦油中發現了萘， 這是在煤焦油中發現的第一個化合物。以后主要是英國和德國的科學家又相繼發現了蒽、酚、苯胺、喹啉、吡啶、芘和?等。到1972年已鑒定出480種化合物，其含量共占煤焦油質量的55%，其中中性化合物174種，酸性化合物63種，堿性化合物113種，其余為稠環和含氧、硫的雜環化合物。

不少國家制訂了煤焦油的質量標準，并按指標劃分煤焦油等級。(見煤焦油全分析)密度和***不溶物含量，是煤焦油質量指標中最重要的兩項，一般范圍分別為1. 13～1. 22g/cm和3.5～9%。 

中低溫煤焦油的組成和性質與高溫煤焦油有較大差別，中低溫煤焦油中含有較多的含氧化合物及鏈狀烴，其中酚及其衍生物含量達10% ～ 30%，烷狀烴約為20%，同時重油( 焦油瀝青) 的含量相對較少，比較適合采用加氫技術生產車用發動機燃料油和化學品。

原料煤種不同，熱解工藝不同，所生產的煤焦油的組成和性質有較大差別。

高溫煤焦油相對密度大于1. 0，含大量瀝青，幾乎完全是由芳香族化合物組成的一種復雜混合物，估計組分總數在1萬種左右，從中分離并已認定的單種化合物約500種，其量約占焦油總量的55%。

高溫焦油中質量分數≥1. 0%的化合物只有10余種，分別是萘 (10. 0%)、菲 (5. 0%)、熒蒽(3. 3%)、芘(2. 1%)、苊烯(2. 0%)、芴(2. 0%)、蒽(1. 5%)、2 －甲 基 萘 (1. 5%)、咔 唑 (1. 5%)、茚(1. 0%) 和氧芴(1. 0%) 等。