Fossile Energie nennt man nutzbare Energie die Energieträgern entstammt, deren Energiegehalt vor langer Zeit in eine konzentrierte Form überführt wurde und die sich heute nutzen lässt. Fossile Energieträger sind durch biologische und physikalische Vorgänge wie Veränderungen des Erdinneren und der Erdoberfläche über sehr lange Zeiträume entstanden.

Der heute bekannteste fossile Energieträger ist das Erdöl, das aus Millionen von Jahren zurückliegender Prozessen aus dem Abbaus organischer Materialen stammt. Auch Kohle, die in ähnlichen Prozessen entstanden, ist ein fossiler Energieträger. Nach wie vor ist Erdöl der wichtigste Energielieferant der Welt. Rund 40 Prozent der von uns benötigten Energie beziehen wir aus Erdöl. Fossile Energieträger sind endlich. Sie erneuern sich langsamer als sie bei der Nutzung zur Energiegewinnung verbraucht werden.

Die oben beschriebene Definition fossiler Energieträger trifft prinzipiell auch für Uran zu, das heute in Kernkraftwerken als Energielieferant eingesetzt wird. Allerdings entstehen Uran und andere schwere Elemente nicht wie Kohle, Erdöl und Erdgas durch biologische und geologische Prozesse, sondern durch Fusionsprozesse in der Endphase bestimmter Sterne (Supernova).

Der Begriff fossiler Brennstoff wird im allgemeinen nur für solche fossilen Energieträger verwendet, die ihre gespeicherte Energie durch chemische Verbrennung mit Sauerstoff abgeben. Beispiele für fossile Brennstoffe sind damit Erdöl, Erdgas, Braunkohle, Steinkohle und Torf. Die entstehende Wärme wird entweder direkt genutzt oder in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt.

Der Übergang von der Nutzung von Biomasse (insbesondere Holz) zur Nutzung fossiler Brennstoffe im 18. und 19. Jahrhundert ermöglichte Erfindungen wie die kohlebetriebene Dampfmaschine und später den Verbrennungsmotor und schufen damit die Voraussetzungen für die industrielle Revolution.

Die aufgeführten fossilen Brennstoffe basieren auf organischen Kohlenstoff-Verbindungen. Bei der Verbrennung mit Sauerstoff wird daher nicht nur Energie in Form von Wärme freigesetzt, sondern auch Kohlenstoffdioxid (CO2), ein Treibhausgas welches heute in aller Munde ist. Je nach Zusammensetzung und Reinheit des fossilen Brennstoffes werden daneben weitere Verbrennungsprodukte wie Stickstoffoxide, Ruß sowie andere chemische Verbindungen erzeugt.