油砂熱解反應可以看作一定溫度下熱不穩定物質發生蒸發、裂解、縮聚等變化，受相變及化學反應活化能等約束，反應過程及產物分布很大程度上由溫度決定。隨著反應溫度的升高，一般認為油砂熱解過程分為三個階段：

1、低溫階段80~150℃，主要是油砂的脫水過程，同時伴隨少量吸附在油砂表面的有機氣體逸出和較弱化學鍵的斷開。

2、隨著反應溫度升高到150～600℃，進入熱解反應的主要階段，油砂中有機物在此階段大量析出。在較低溫度區間主要為油砂瀝青質中游離相的脫附，此后部分大分子側鏈及橋鍵斷裂形成碎片自由基，自由基進一步反應或穩定下來形成小分子有機物，以氣態形式逸出，經冷卻后分離為液態和氣態產品。

3、溫度>600℃，有機揮發物的逸出量明顯減少，半焦中稠環芳烴進一步脫氫、縮聚及重排，油砂中的礦物質分解產生大量無機氣體。

上述三個過程只是對油砂熱解過程做了一個大體的描述，具體溫度范圍因油砂組成的不同而有所差異。此外，利菲爾特商丘分公司研究了不同熱解溫度下油砂熱解產品產率，從而判斷油砂瀝青的熱裂解程度。根據操作條件及樣品組成，不同油砂在某一溫度下裂解程度有所差異。對于慢速的熱解來說，300℃以下油砂瀝青質無明顯裂解；300～400℃會有一些有機物逸出，但是逸出量較少，裂解程度最強出現在450℃左右；當溫度大于550℃，可被冷凝的產品明顯減少。除了反應過程，傳熱傳質過程也會影響熱解產物的分布。對比了眾多油砂瀝青熱裂解過程，將熱解產物快速的從固相導出，便能獲得較高的氣液產品的轉化率，減少焦的生成。

總的來說，油砂(瀝青)的熱解是非常復雜的物理化學過程，不同產地的油砂因其物理化學結構的差異也會有所不同，但對油砂熱解行為及產物釋放規律的研究有助于理解油砂熱分解過程。