지질시대의 육생식물이나 수생식물이 수중에 퇴적하여 매몰된 후 가열과 가압작용을 받아 변질하여 생성된 흑갈색의 가연성 암석. 광택이 있는 것과 광택이 없는 것이 있는데 전자를 휘탄(輝炭), 후자를 암탄(暗炭)이라고 한다.

처음 발견하여 이용한 것은 3000년 전으로 알려져 있으나, BC 315년 그리스의 과학자 테오프라스토스(Theophrastos)의 암석학 저서 중에 “암석 중에는 연소되는 것이 있어 금속을 녹이는 데 사용할 수 있다”고 기재되어 있는 것이 최초의 기록으로 남아 있다.

화학적 성질은 공업분석에 의해 수분·회분·휘발분·고정탄소 등을 백분율로 나타내고 원소분석에 의해서 C, H, N, O의 함유량으로 나타낸다. 그러나 석탄의 정의에 대해 탄소분의 함량기준(含量基準)과 성분이나 조직상으로 명확한 학설이 없었으나, 1957년 미국에서 개최된 국제석탄학회에서 그 학문상의 정의를 정립하게 되었다.

이때 석탄 성분 내에 중량으로 50 % 이상의 탄소분이 함유되어 있어야 하고, 용적으로는 70 % 이상의 탄소분이 함유되어 있어야 석탄으로 규정하도록 결정하였다. 이 밖에 조성·탄화도 및 품위(品位)에 있어서는 석탄에 따라 각기 특성을 가지는 것으로 정의를 내렸다.

석탄은 탄화도(炭化度)에 따라 탄소분이 60 %인 이탄(泥炭), 70 %인 아탄(亞炭) 및 갈탄, 80∼90 %인 역청탄, 95 %인 무연탄으로 나뉜다. 석탄의 거래에 있어서 중요시되는 것은 탄질·발열량·점결성(粘結性) 등이며 발열량은 좋은 탄질인 경우 6,500∼7,000 kcal/kg이고 저질탄은 보통 4,500 kcal/kg 이하이다. 한국의 경우, 발전용탄은 탄질이 3,500 kcal/kg 이상이고 가정용 연탄의 탄질은 4,500 kcal/kg이다.

석탄은 주로 탄소로 구성되어 있고, 수소와 산소가 들어 있다. 이 밖에 질소·황·무기물 등이 들어 있다. 황이 많이 함유되어 있으면 연소할 때 불쾌한 이산화황 냄새가 난다. 무기물은 근원식물 자체에서 나온 것이 소량 있으나, 대부분 퇴적될 때나 퇴적 후에 지하수에 의하여 반입된 것이 많다.

석탄의 공업분석에서는 수분·회분·고정탄소·휘발분 및 황의 백분율 함량과 발열량을 칼로리 단위로 측정하게 되어 있다. 양질의 석탄은 수분이 적고 고정탄소와 휘발분이 많고 발열량이 6,000∼8,000 kcal/kg이며, 갈탄인 경우 휘발분과 고정탄소의 양이 거의 같은 반면 무연탄은 휘발분이 거의 없는 대신 고정탄소의 함유율이 높다. 석탄 분자의 구조는 피츄멘과 후민질 분자구조 연구를 통하여 발전되었다.

따라서, 석탄 분자는 종합 방향고리를 단위체로 한 일종의 고분자로서 탄화도의 진행에 따라 축합도(縮合度)가 증가하여 무연탄에서 흑연이 된다. 동일 탄종이라도 산지에 따라 분자구조가 달라지며, 근래에 와서는 X선·적외선·자외선·분광법·전기적 방법·자기적 방법·열분석 및 레소로지 등이 석탄의 각 성분 연구에 많이 활용되고 있다. 단위체는 탄소사슬 등으로 연결되어 있어 저분자체(低分子體)를 감싸는 구조를 하고 있다.