Destillasjon er den eldste og vanligste raffineriprosessen. Den bygger på det velkjente prinsippet at væsker med forskjellig kokepukt kan skilles ved fordampning / kondensasjon.

Ved råoljedestillasjon sendes råolje på kokepunktet (400 grader C) inn i et stort destillasjonstårn. Oljen splittes opp i en rekke produktfraksjoner etter ønskede kokepunktsområder. Fordampet olje på vei opp gjennom tårnet møter kondensert væske på vei ned. De er i kontakt og utveksler komponenter på en rekke hullplater i tårnet. Lette væskemolekyler fordampes og tunge gassmolekyler kondenseres ved denne kontakten. Jo lenger opp i tårnet vi kommer, jo lettere blir den væsken som finnes på hullplaten. Noe av råoljen lar seg ikke fordampe, men trekkes ut som tungolje i bunnen av tårnet.