聚乙烯熱解產物主要為脂肪族化合物，包括直鏈烷烴和直鏈烯烴。在較高熱解高溫下，聚乙烯可以生成大量氣態產物，包括氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等。聚乙烯塑料的熱解過程是一個吸熱過程，在沒有催化劑存在的情況下，一般在350-500°C的高溫下，聚乙烯塑料才能被裂解為液態的油、小分子氣體以及固體殘焦。一般認為，相同的化學鍵在更高的反應溫度和更高的升溫速率條件更易斷裂，因此高熱解溫度和高升溫速率可以促進聚乙烯塑料熱解小分子產物的生成。

在一項不同溫度下高密度聚乙烯（HDPE）熱解過程研究發現，溫度對高密度聚乙烯熱解產物分布的影響顯著。在650°C，高密度聚乙烯熱解產物主要為石蠟狀物質和少量的氣態產物，石蠟狀物質成分主要為脂肪族碳氫化合物；而在780°C，高密度聚乙烯熱解產物主要為氣態產物和少量的液態焦油，氣態產物主要成分為乙烯、甲烷和丙烷，液態焦油主要為芳香族化合物。

聚乙烯熱解過程中，C-C鍵斷裂屬于中間過程，不能被檢測，但雙鍵的形成與C-C鍵斷裂存在一一對應的關系，從反應壓力與雙鍵形成速率之間的聯系可以看出在聚乙烯熱解過程中，反應壓力會直接影響到C-C鍵斷裂。研究發現壓力參數在低溫段對聚乙烯熱解揮發速率影響較小，在高溫段，較低壓力可以明顯促進揮發性產物的生成及析出，并且溫度越高，壓力的影響越明顯。隨著反應壓力的提高，中間反應物的平均相對分子質量有減小的趨勢。聚乙烯塑料在熱解過程中會同時發生隨機鏈斷裂和尾部鏈斷裂兩種斷裂反應。在一定溫度范圍內，隨機鏈斷裂只發生在相對分子質量足夠大的初始反應物分子內部，然后形成相對分子質量較小的中間反應物，尾部鏈斷裂反應只會不斷消耗初始反應物。由于尾部鏈斷裂反應發生在氣液交界處不斷生成揮發性產物，而隨機鏈斷裂反應發生在液相中，所以反應壓力只對尾部鏈斷裂反應產生影響。

一般而言，選擇性加入催化劑會顯著降低塑料熱解反應所需的溫度并縮短熱解反應所需的時間。而在沒有催化劑存在的條件下，塑料直接熱解得到的焦油成分廣、辛烷值均較低，不適宜直接用來作汽油燃料，一般均需后續焦油提質處理。