石油与天然气工程学科的研究对象是地球表层非固态化石能源的钻掘、采出、地面输送与储存等涉及的所有科学理论与工程技术的集合体。它研究岩石的变形、破坏与稳定，石油杆管的变形、运动与失效，地层与石油管内流体运动、相态变化及与周围介质的物理、力学、化学相互作用。

油气钻采与储运过程遵从基本的物理、力学和化学等科学规律。从这些基本规律出发，揭示油气及其周围介质在钻采与储运中的物理、力学、化学现象和过程、运动和变化规律，形成安全、环保、优质、高效钻釆和储运理论与技术是本学科的主要任务。同时，本学科也与地球系统中的其他学科相交叉，研究地层及流体在不同时空尺度上的物理、力学、化学特征及在油气钻采工程中的运用。因此，数学、物理学、力学、化学、地质、地球物理、机械、控制，以及计算信息技术等学科是石油与天然气工程的学科基础，这些基础学科与本学科相结合，形成了石油与天然气工程自身的学科基础：油气井力学与控制、油气井岩石力学、油气井流体力学、油田化学、油气渗流理论、油气田开发理论、采油工程理论、提高采收率技术、油气多相管流及油气田集输技术、油气储运与城市输配系统工程等。

石油与天然气工程是一门实践性、综合性很强的工程学科，其学科特点决定了其研究方法的多样化，尤其强调理论与实践相结合。本学科的主要研究方法有理论研究、数值模拟、室内实验与工业试验等。