Fossiele brandstoffen zijn nog steeds dominant in het energiesysteem. Hoewel het terugdringen van de CO₂-uitstoot door fossiele brandstoffen een belangrijke beleidsdoelstelling is in veel landen, is het niet waarschijnlijk dat fossiele brandstoffen snel zullen verdwijnen bij een versnelde energietransitie. Ze spelen namelijk nog steeds een cruciale rol in het mondiale energiesysteem.
Fossiele brandstoffen – met name kolen, olie en aardgas – worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, voor warmte (in industriële productieprocessen en ruimteverwarming in gebouwen) en voor transport. Ook dienen ze als grondstof voor verschillende producten zoals chemicaliën, plastics en staal. Verbranding van fossiele brandstoffen is de grootste bron van CO2-uitstoot die bijdraagt aan het door de menselijke activiteiten versterkte broeikaseffect. Extractie en verbranding van fossiele brandstoffen leiden ook tot andere emissies die schadelijk zijn voor de gezondheid en het milieu, zoals stikstofoxides, zwaveldioxide, fijnstof en toxische metalen zoals arsenicum, cadmium en kwik.