含油污泥的熱解過程一般經過幾個階段完成。通常熱解過程包括：干燥脫氣(50～180℃)、輕質油揮發析出(180～370℃)、重質油熱解析出(370～500℃)、半焦炭化(500～600℃)與礦物質分解(>600℃)5個階段。裂解過程中加入催化劑可以降低熱解溫度，縮短熱解時間，同時提高輕質組分產率。在裂解溫度為460～650℃時，裂解油的回收率可達到70%～84%。含油污泥的最終裂解產物由以輕烴為主的裂解氣體、含水和裂解油的裂解液體及以焦炭和泥土為主的固體產物組成。

含油污泥若在600℃的條件下熱解3h，氣相產物主要包含C1～C5烴類物質，液相產物的成分比較復雜，組成和理化性質與含油污泥的性質和熱解條件有關。油田污水絮凝形成的污泥熱解所得液相油中，煤油40.76%、汽油15.66%、柴油14.46%；潤滑油精制白土熱解處理的回收液相油中含煤油50.27%、汽油30.39%、柴油11.60%。

熱解條件對熱解回收油的回收率、品質都有重要影響。隨熱解溫度升高，輕組分油的含量提高。通常認為最佳熱解溫度為500～650℃，在此條件下熱解過程熱解油產率增加。當溫度高于650℃時，由于裂解反應加劇，碳化產物顯著增多。

含油污泥的熱解產物分布受升溫速率的影響比較明顯，快速加熱會減少固體和液體的產量。含油污泥中所含的大量礦物質會影響熱解油的熱轉化反應，使其向有利于熱解氣體中氫氣生成的方向進行，這可能與礦物質中的堿金屬及堿土金屬有關。熱解油的主要以柴油組分為主，熱值達到43MJ/kg左右，可以直接作燃料油使用，但其芳香烴和雜原子含量較高，所以油品質量比成品油要低很多。