当矿物齿轮油达到它们的性能极限，不再符合使用要求的时候，合成齿轮油就要发挥作用了。例如，极低温或极高温情况下、极高负荷情况下、特殊环境下，或者矿物齿轮油不能符合特殊要求情况下，如燃点。即使通过添加剂可能改善许多矿物油的性能，但是不可能无限制的改善其所有性能。特别是以下的物理性能：
         1. 抗热性
         2. 低温下的性能（流动性，倾点）
         3. 闪点
         4. 蒸发散失
         合成机油有许多优点。然而，合成机油并不能在所有方面都比矿物油强，甚至还引起了一些弊端的出现。合成润滑油（依基础油而定）的优点：
         1. 更理想的抗热性和抗氧化性
         2. 高粘度指数（在大多数情况下）
         3. 更理想的低温性能
         4. 可燃性降低（在一些情况下）
         5. 光滑度提高（在一些情况下）
         6. 残渣形成可能性小
         7. 周围介质抗性高
         可能出现的弊端：
         1. 价格较高
         2. 与水反应（水解、腐蚀）
         3. 物质兼容性问题（油漆、人造橡胶、某些金属）
         4. 与矿物油可溶性小
         与应用相关的优势经常是占上风的，特别是在极度操作环境下，合成齿轮润滑油的使用不断增多。常用的合成油的类型有：烃类油（SHC）、聚乙二醇类油（PAG）和酯类油（E）。
         合成烃类油基润滑油
         合成烃类与矿物烃类在化学结构上很相似。在与密封物质的兼容性、使用后的处理、回收再利用和与矿物基油的可混合性这些方面，两者有着极其相似的特性。主要的优点是他们卓越的低温工作性能。使用特殊的添加剂，可以制造出适用于食品制造和制药行业机器使用的润滑油。
         聚乙二醇基润滑油
         这些润滑油确保摩擦力特别低，这使得其适合用于高滑率的齿轮（蜗杆齿轮和准双曲面齿轮）。使用合适的添加剂，这些润滑油在钢制或者铜制蜗杆齿轮中有良好的抗磨性和抗压性。在齿轮系统中，高极性聚乙二醇基润滑油允许更强的金属齿轮表面交互作用。这样即使没有添加剂，聚乙二醇基润滑油的抗压性能也非常好。
         聚乙二醇基润滑油对密封材料可能有负面影响，它可溶解一些漆类物质。当工作温度高于212华氏度（100摄氏度），只有用氟化橡胶或聚四氟乙烯制造的密封圈可以抵抗。在把PAG油投入到生产应用之前，建议检测一下其与油漆、密封圈和玻璃材料的兼容性。
         聚乙二醇基润滑油和矿物油不可混合，因此要避免这样的事发生。聚乙二醇对于含铁金属和几乎所有非含铁金属都是一视同仁的。如果使用在铝制或者铝合金制的元件上（铝制旋转轴承箱），在动态压力下（滑动摩擦和高负荷），摩擦将增大。这种情况下就有必要进行兼容性测试。如果蜗杆齿轮是用铜铝合金制造的，就不应使用聚乙二醇基润滑油，因为压力区域的反应会导致摩擦增大。
         酯基润滑油
         酯是酸和酒精发生水分离反应的产物。酯的种类很多，都对润滑油的化学和物理性质有影响。过去，这些润滑油主要用于航空技术，润滑飞机发动机、燃气涡轮和抽水机、启动器等的齿轮系统。
         酯有很高的抗热性和良好的低温工作性能。在工业应用中，生物所能分解的酯将迅速变得十分重要，因为选择合适的酯基润滑油可以得到与聚乙二醇基润滑油同样的功效。
         某些酯类的水解稳定性很差。水解是指酯在水存在的情况下裂解成酒精和酸。酯基润滑油要求有很好水解稳定性，因为他们经常处在潮湿的环境下。实际中，水解可能不像报告中所说的那么严重。酯基润滑油的水解稳定性的决定因素：
         1. 所用酯的类型
         2. 所用添加剂的类型
         3. 酯是如何加工而成的
         4. 用途