油頁巖熱解過程可以通過地下干餾和地上干餾技術兩種方式進行。如果將埋藏在地下的頁巖資源勘探到，然后直接在地下進行熱解處理，最后將得到的頁巖油產品運至地上，則稱為地下干餾。但地下干餾技術容易造成巖層泄露、污染環境并且產率較低。地上干餾則是把部分較易開采的油頁巖首先運送到地面，然后經熱解爐進行熱解生成頁巖油、半焦及熱解氣體。地上干餾雖然投資較地下干餾高些，但是油收率較高且產生的頁巖灰或半焦經適當處理不會對環境造成太大影響。

在油頁巖熱解過程中，當溫度升至400℃以上后，有機質開始大量分解，產生終產物頁巖油、熱解氣體、半焦及少量熱解水蒸氣。油頁巖熱解過程可分為三個階段，首先是加熱階段，氣、固熱載體會提供一定熱量，由外至內層層傳遞。傳熱過程與油頁巖的粒度有關，粒度越小越易傳輸，熱量到達中心越快。第二個階段是油母質進行裂解過程，是油頁巖熱解主要階段。這一階段熱解產物主要是頁巖油和熱解氣，并且有一部分礦物質也會發生分解放出CO2和化合水。最后一個過程為熱解產物的擴散和逸出。此三個過程都要一定時間，是彼此相互聯系進行著的。

油頁巖熱解煉油設備

隨著加熱溫度的不斷升高，熱解瀝青和頁巖油的產量都會不斷增加，開始階段是熱解瀝青大量生成的過程，此時的熱解油產生量較少。隨后熱解溫度進一步升高，瀝青質產生速率慢慢減緩，而熱解焦油卻在持續增長，這部分焦油既包括直接由油母質生成的部分，同樣有熱解瀝青轉化而來的部分。直到達到某一溫度熱解焦油的生成速率會超過熱解瀝青的產生速率。之后，熱解瀝青的產生愈來愈困難，且有大量已產生的熱解瀝青轉化成了焦油，直到最終生成的全部為熱解焦油產物。