O petróleo pode ser definido como uma mistura complexa de milhares de componentes, entre eles os biomarcadores, que são moléculas-alvo importantes para a caracterização e identificação de amostras em geoquímica forense. Sendo assim, o objetivo deste estudo foi realizar a avaliação molecular de seis amostras de óleos de diferentes valores de °API (18,4 - 45,6) e uma amostra do nordeste brasileiro fornecida pelo IBAMA usando as técnicas de cromatografia gasosa bidimensional abrangente acoplada à espectrometria de massa por tempo de voo (GC×GC-TOFMS) e espectrometria de massas de alta resolução (Orbitrap-HRMS) para investigação de biomarcadores geoquímicos. O petróleo bruto foi analisado por ESI(±)-Orbitrap-HRMS para identificação de compostos polares (NOS), e as amostras fracionadas foram analisadas por GC×GC-TOFMS para identificação das moléculas apolares. O fracionamento por cromatografia líquida do petróleo bruto gerou frações de saturados, aromáticos e polares. Pela técnica GC×GC-TOFMS, as razões m/z 191 e 183 permitiram a detecção de cerca de 30 biomarcadores por amostra, como hopanos, terpanos tricíclicos, gamacerano, pristano e fitano. Foi possível calcular os parâmetros geoquímicos, como C17/C18, C17/Pr e C18/Fi, gerando informações sobre o grau de biodegração dos óleos. Nas análises por ESI(±)-HRMS, as classes químicas mais abundantes foram os [N] no modo positivo e [O2] no modo negativo. No tratamento estatístico foi utilizada a Análise de Componentes Principais (PCA) no qual foi observada uma tendência relacionando a amostra fornecida pelo IBAMA envolvida em derramamento ambiental como um petróleo pesado. Portanto, as técnicas analíticas avançadas utilizadas de forma complementar permitiram a especiação de óleos brasileiros, sendo um método com potencial aplicação em amostras de ampla faixa de °API, auxiliando em casos de derramamento de petróleo através de estudos geoquímicos.