中国海洋石油是中国改革开放后第一个全方位对外开放的工业行业。1982年1月30日，国务院颁布《中华人民***和国对外合作开采海洋石油资源条例》（以下简称《条例》），决定成立中国海洋石油总公司。1982年2月15日，中国海洋石油总公司（以下简称中国海油）在北京正式成立。 中国海洋石油工业于20世纪50年代末开始起步，海洋石油勘探始于南海。1965年后，重点转移到了中国北方的渤海海域。在海洋石油工业开拓的初期，使用自制的简易设备，经过艰苦的努力，在上述两个海域均打出了油气发现井。
从1966年到1972年，在渤海海域***建造了4座固定式钻井平台，钻探井14口，发现了3个含油构造，为海上石油勘探积累了经验。
1973年以后开始更新设备，在国内建造和从国外购进了一批自升式钻井船、三用（拖航、起抛锚、供应）工作船和地球物理勘探船等，在渤海进行勘探、开发试验。
1973年2月，燃料化学工业部决定成立南海石油勘探筹备处，恢复南海石油勘探。
1978年8月，石油工业部将渤海石油勘探业务从大港油田划出，在塘沽。
在1982年1月30日，国务院颁布《中华人民***和国对外合作开采海洋石油资源条例》，决定成立中国海洋石油总公司，以立法形式授予中国海洋石油总公司在中国对外合作海区内进行石油勘探、开发、生产和销售的专营权，全面负责对外合作开采海洋石油资源业务。
2011年7月20日，国家发改委批准了中海油集团的海南液化天然气（LNG）工程项目，该项目一期设计能力200万吨/年，拟2014年建成投产并于2016年达产。中海油集团为中海油股份（0883）的母公司。
2012年12月7日，加拿大政府决定批准中国海洋石油有限公司以151亿美元收购加拿大尼克森公司的申请，标志着中海油乃至中国企业完成在海外最大宗收购案。
2013年1月16日，中国海洋石油有限公司（中海油）的母公司中国海洋石油总公司（“中国海油”）与雪佛龙中国能源公司（“雪佛龙”）就15/10和15/28区块签订了产品分成合同。根据合同规定，在勘探期内，雪佛龙将在15/10和15/28区块进行三维地震数据采集，雪佛龙承担100%的勘探费用。中国海油有权参与合同区内任一商业油气发现最多51%的权益。
2013年2月26日，中海油完成收购加拿大尼克森公司的交易，收购它的普通股和优先股的总对价约为151亿美元。
2015年9月18日，签署《责任关怀全球宪章》，就加强化学品管理体系，保护人与自然环境，敦促各方为达成可持续发展解决方案等做出郑重承诺。