เมื่อแยกเอา น้ำ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และสารปนเปื้อนอื่น ๆ ออกจากน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ น้ำมันดิบจะถูกส่งผ่านไปยังสถานีแยกปิโตรเลียมเพื่อแปรสภาพให้เป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปชนิดต่าง ๆ ที่เหมาะสมต่อการใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่าง ๆ

การแยก (Separation)

โดยส่วนใหญ่จะแยกโดยวิธีการกลั่นลำดับส่วน (Fractional Distillation) โดยอาศัยความแตกต่างของจุดเดือดของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนแต่ละชนิดที่รวมอยู่ในน้ำมันดิบ โดยนำน้ำมันมาให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 368-385 องศาเซลเซียส แล้วผ่านเข้าไปในหอกลั่น น้ำมันที่ร้อนจะกลายเป็นไอลอยขึ้นไปยอด และควบแน่นเป็นของเหลวตกลงบนถาดรองรับในแต่ละช่วงของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ จากนั้นของไหลในถาดก็จะไหลออกมาตามท่อเพื่อน้ำไปเก็บแยกตามประเภท และนำไปใช้ต่อไป

การเปลี่ยนโครงสร้าง (Conversion)

เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจมีคุณภาพที่ไม่ดีพอ จึงต้องใช้วิธีทางเคมีเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างของน้ำมัน ให้น้ำมันที่ได้มีคุณภาพที่ดี เหมาะแก่การนำไปใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่าง ๆ

การปรับคุณภาพ (Treating)

เป็นการกำจัดสิ่งแปลกปลอมออกจากน้ำมันน้ำมันที่ได้มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแล้ว ซึ่งสิ่งแปลกปลอมที่สำคัญจะเป็นสารจำพวกกำมะถัน ซึ่งจะใช้วิธีการฟอกด้วยไฮโดรเจน หรือฟอกด้วยโซดาไฟเพื่อเป็นการกำจัดสารนั้นออก

การผสม (Blending)

คือการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้มาเติมหรือผสมสารที่เหมาะสม เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปตามที่ต้องการ เช่น การผสมน้ำมันเบนซินเพื่อเพิ่มเลขออกเทน หรือผสมน้ำมันเตาเพื่อให้ได้ความหนืดตามที่ต้องการ