Fossilt brensel, fossilt brennstoff, hydrokarbonholdige stoffer som naturgass, olje, oljeskifer, tjæresand, brunkull og steinkull som finnes naturlig i grunnen og som er dannet i tidligere tider. Stoffene er av biologisk opprinnelse (planter og dyr), men har gjennom millioner av år gjennomgått omdanningsprosesser i og under jordskorpen. Torv regnes også av mange som fossilt brensel, men det er mer omstridt siden den fornyes langsomt i naturen. Den totale mengden kjente reserver av fossilt brennstoff er i dag cirka 700 milliarder tonn (målt som karbon). Fossilt brennstoff er tidligere tiders solenergi, først sanket av grønne planter ved fotosyntesen og siden lagret i ulike organiske stoffer, omdannet og konsentrert. I dag utvinnes de som kilde til energiproduksjon (ved forbrenning) og som råstoff for blant annet plastproduksjon. I 2011 var hele 81,6 prosent av verdens samlede energiforbruk av fossil opprinnelse.
Fossile brensler regnes som en ikke-fornybar energikilde. Se også fornybare energikilder.
Utslippsproblemer
Fossile brensler inneholder store mengder karbon som i jordens tidlige historie ble trukket ut av jordens atmosfære ved omdanning av karbondioksid (CO2). Når man nå forbrenner disse fossile brennstoffene i stor skala, tilbakeføres denne gassen til atmosfæren og til havet. Sammen med naturlig dannet CO2 fra vulkansk virksomhet, går det inn i et kretsløp der geologiske prosesser, som forvitring og bergartsdannelse, spiller sammen med plantenes og dyrenes livsprosesser.
Utnyttelsen av fossile brensler har vært avgjørende for den industrielle utviklingen, men skaper nå også bekymringer for virkninger på miljøet. Forbrenning av fossile brensler frigjør rundt 21 milliarder tonn karbondioksid hvert år. Ved at de kommer som tillegg til de utslipp som inngår i det naturlige kretsløpet, bidrar de til en økning av karbondioksidinnholdet i atmosfæren. Disse utslippene anses av de fleste som den viktigste forklaringen på at innholdet av karbondioksid i atmosfæren nå (2011) er nesten 40 prosent større enn i førindustriell tid (fra 280 ppm til 390 ppm). Siden karbondioksid er en viktig drivhusgass, kan dette føre til betydelige klimaendringer (se klimadebatten).