น้ำมันดิบที่ไม่ไหลอย่างง่ายที่อุณหภูมิห้องเรียกว่าน้ำมันดิบหนัก สิ่งนี้แตกต่างจากน้ำมันดิบเบาซึ่งไหลอย่างอิสระที่อุณหภูมิเดียวกันเนื่องจากความหนาแน่นต่ำ น้ำมันดิบที่มีแรงโน้มถ่วงของสถาบันปิโตรเลียมอเมริกันน้อยกว่า 20 องศาจัดเป็นน้ำมันดิบหนักหรือน้ำมันดิบหนักพิเศษ เป็นที่คาดการณ์ว่าปริมาณน้ำมันดิบหนักทั่วโลกมีมากกว่าสองเท่าของน้ำมันดิบที่ใช้แล้วแบบเบา
เงินฝากของน้ำมันดิบหนักมักจะพบใกล้หาดทรายน้ำมันหรือทรายน้ำมันซึ่งเป็นส่วนผสมของทรายดินน้ำและปิโตรเลียมหนาแน่นมาก บางครั้งคำว่า "น้ำมันดิน" ซึ่งเป็นรูปแบบเหนียวเหนียวกึ่งแข็งคล้ายน้ำมันปิโตรเลียมที่พบในทรายน้ำมันดินจะถูกนำมาใช้แทนกันกับน้ำมันดิบหนักพิเศษที่พบในเงินฝากดังกล่าว นักธรณีวิทยาบางคนยืนยันว่าน้ำมันดินเป็นเพียงรูปแบบหนึ่งของน้ำมันดิบหนักพิเศษที่มีความหนาแน่นสูงจนไม่สามารถไหลได้ที่อุณหภูมิห้อง
การขนส่งและการกลั่นน้ำมันดิบหนักมีความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าการขนส่งและการกลั่นน้ำมันดิบแบบเบา น้ำมันหนักมีคาร์บอนมากขึ้นพร้อมกับสิ่งสกปรกอื่น ๆ มากมายดังนั้นจึงปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้นในระหว่างการผลิตและในระหว่างการใช้งานซึ่งอาจส่งผลเสียต่อชั้นโอโซนของโลก กระบวนการผลิตของน้ำมันหนักสามารถสร้างได้มากถึงสามเท่าของปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตน้ำมันเบา
ในทางเศรษฐกิจน้ำมันดิบหนักมักจะมีราคาต่ำกว่าน้ำมันดิบเบาเพราะถือว่ายากกว่าและราคาแพงกว่าที่จะทำงานด้วย แม้ว่าน้ำมันหนักสามารถพบได้ในระดับความลึกตื้นกว่าน้ำมันเบาซึ่งเป็นลักษณะที่สามารถลดต้นทุนการสกัดได้อย่างมีนัยสำคัญ แต่การผลิตน้ำมันดิบหนักนำเสนอค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม วิธีการดั้งเดิมหลายอย่างที่ใช้ในการขนส่งและการสกัดน้ำมันดิบแบบเบานั้นไม่ได้ผลเมื่อต้องรับมือกับความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นของน้ำมันดิบหนักซึ่งจำเป็นต้องทำการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพง
เนื่องจากการสะสมของน้ำมันดิบเบาที่เข้าถึงได้ง่ายทำให้การผลิตน้ำมันหนักกลายเป็นเรื่องปกติมากขึ้น แม้ว่าจะพบได้ในกว่า 30 ประเทศ แต่เงินฝากที่ใหญ่ที่สุดสามารถพบได้ในเวเนซุเอลาใกล้กับแม่น้ำโอริโนโก เงินฝากเหล่านี้คาดว่าจะมีน้ำมันมากกว่า 5 หมื่นล้านบาร์เรลทำให้เป็นแหล่งน้ำมันที่ใหญ่ที่สุดในโลก
