Fossiele brandstoffen zijn brandstoffen die zijn gebaseerd op grondstoffen die zijn ontstaan door chemische en geologische processen op van oorsprong biologisch materiaal. Het worden ook wel koolwaterstofverbindingen genoemd, en ze worden in de praktijk vooral gewonnen uit de bodem in de vorm van kolen, olie en gas.

Dierlijke en plantaardige resten worden door hitte en druk onder de aardbodem gedurende miljoenen jaren omgevormd tot stoffen die direct of na verdere bewerking kunnen worden ingezet als brandstof. De energetische waarde van deze stoffen is vaak vele malen hoger dan van bijvoorbeeld hout, wat historisch gezien de belangrijkste brandstof was vóór het grootschalige gebruik van fossiele brandstoffen sinds de 19e eeuw. Ook is het in gebruik meestal praktischer.

Door verschillende nadelen aan het gebruik van fossiele brandstoffen, streven veel overheden en organisaties naar het terugdringen van het gebruik van deze brandstoffen. Het bekendste probleem is de uitstoot die vrijkomt bij verbranding; dit draagt bij aan de opwarming van de aarde en aan luchtvervuiling.

Desondanks zijn fossiele brandstoffen veruit de meest door de mens gebruikte energiebron op aarde. De grondstoffen die worden gebruikt voor fossiele brandstoffen, worden daarnaast ook veelvuldig ingezet voor andere processen, zoals de productie van waterstof, kunstmest, kunststoffen, etc.