利用地下氣密的多孔巖層或洞穴儲存燃氣。地下儲氣是儲存大量燃氣的最經濟和比較安全的方法。地下儲氣庫的主要作用是：調節燃氣的季節供需不平衡，保證供氣高峰的需要；使長距離輸氣管線和設備均衡運行，以提高管線和設備的利用率，降低輸氣成本；在發生事故等緊急情況下保障供氣。地下儲氣庫應建在靠近大量用氣的地區。
世界上第一個天然氣地下儲氣庫於1915年建成於加拿大。美國於1916年開始在枯竭氣層儲氣。蘇聯於1958年利用枯竭氣層建設瞭第第一個地下儲氣庫。中國的第一個地下儲氣庫在大慶油田，是利用枯竭氣層儲氣，1969年開始進行小規模註采氣試驗，1975年擴大註采氣能力並正式投入使用。到80年代初，各國天然氣（還有少量人工燃氣）地下儲氣庫總數為500多個；其中約80％建在美國，總儲氣容量為2000多億米3。
枯竭油氣層儲氣 利用枯竭油氣層作儲氣庫，一般不需要建設費用，可利用原有的井註氣和采氣。儲氣庫中必須存有部分氣體做為墊層氣，而枯竭油氣層通常都有殘留氣體可直接利用，不必再填充墊層氣。這是一種最經濟的儲氣庫，地下儲氣庫中有80％以上屬於此種類型。美國最大的地下儲氣庫之一的麥克唐納儲氣庫的容量達50億米3。
地下含水層儲氣 美國將天然氣儲存於地下含水層始於1952年。這種儲氣庫數量一直不斷增加，特別是在缺少油氣田的國傢和地區。含水層儲氣主要是采用背斜含水砂層構造，當構造平緩但面積較大時也可用於儲氣。含水砂層應有較大的厚度、孔隙度和滲透率，並且要有合適的深度。滲透性對燃氣註入和采出的速度有重大意義。滲透率高的儲氣庫，在排氣時水能很快壓回，可回收一部分消耗於註氣的能量。世界上大的地下儲氣庫容量達幾十億米3，如蘇聯的曉爾科沃、法國的謝姆裡等。
地下洞穴儲氣 鹽穴儲氣是向鹽巖層註入淡水，將鹽巖層溶解，再將鹽水排出，形成溶洞進行儲氣。這種儲氣庫密閉性能好，儲氣壓力高，采氣率大。但與含水層儲氣庫相比，儲氣容量小，儲氣庫單位容量的投資高。利用廢礦井儲氣，要求蓋層和礦井密閉，一般儲氣壓力較低，這種儲氣庫的數量很少。液化石油氣的地下儲存，主要利用鹽穴和在非滲透性巖層中建造的巖洞儲存。建造鹽穴比建造巖洞經濟。70年代末，美國的丙烷和丁烷地下儲氣庫的總容量約為4000萬米3，其中大部分為鹽穴儲氣庫。美國的最大巖洞儲氣庫，是直接在花崗巖層中開鑿的高10.7米、寬7.6米、長2100米的坑道，容量為94000噸。