煤焦油是一種複雜的混合物，主要成分包括芳香烴類、雜原子化合物、多環芳烴和雜環化合物等。
其中芳香烴類是煤焦油的主要組成部分，含量約占總物質的一半左右，煤焦油中也含有少量的雜原子化合物，如氮化合物、硫化合物和氧化合物等，含量一般在2%以下，多環芳烴和雜環化合物也是煤焦油的主要成分之一，其含量在10%~20%之間。
此外，剛回收的煤焦油中含有大約5%的水分，溶有多種無機鹽和其他雜質。煤焦油還包含上萬種不同的有機物和無機物，主要包括苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽等芳烴，以及芳香族含氧化合物（如苯酚等酚類化合物），含氮、含硫的雜環化合物等。