我国的石油工业运营主体主要是以中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司和中国海洋石油总公司为主的三大国家石油公司为支撑的，形成了独具特色的中国石油工业运行模式。
（1）三大石油公司的历史由来及其发展演变过程。
1950年4月，国务院设立燃料工业部石油管理总局，管理新中国的石油生产开发工作。当时我国石油工业水平极为落后，原油年产量仅为12万吨，炼油17万吨。为迅速改变新中国石油工业落后的面貌，为国民经济的发展提供强大的能源保证，1955年，党中央国务院决定成立石油工业部，全面负责全国石油、天然气资源的勘探和开发工作。随后的若干年中，石油工业部先后改组为燃料化学工业部、石油化学工业部，然后又回到石油工业部。
1982年1月30日，国务院颁布《中华人民共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。2月15日，中国海洋石油总公司在北京正式成立，作为中国对外开放的窗口和国家石油公司，担负起对外合作和发展中国海洋石油工业的重任。
中国石油工业的演变
1983年7月，国务院决定成立中国石油化工总公司。
1988年9月17日，根据中国国内市场经济发展的需要和政府职能转换的要求，国务院决定撤销石油工业部，以其所辖主要资源和资产为依托，成立中国石油天然气总公司。作为中国的特大型国有企业，中国石油天然气总公司主要从事石油、天然气上游领域的生产业务，兼有部分政府管理、调控职能。
1998年3月，九届人大一次会议审议批准《国务院机构改革方案》，决定对我国石油石化工业实施战略性改组，分别组建中国石油和中国石化两个特大型企业集团公司。5月13日，中国石油天然气总公司、中国石油化工总公司在北京举行划转企业交接仪式。7月27日，中国石油天然气集团公司和中国石油化工集团公司正式宣告成立。
按照此次国务院机构改革方案，将原化学工业部和中国石油天然气总公司、中国石油化工总公司的政府职能合并，组建国家石油和化学工业局，由国家经贸委管理；原石油和石化两个总公司下属企业，按上下游结合的原则，分别组建成两个特大型石油化工企业集团。以原中国石油天然气总公司为主体组建的中国石油天然气集团公司，以大庆、辽河、华北等13家油气田企业为基础，分别从原中国石油化工总公司和地方划入19家企业和17家企业；而以原中国石油化工总公司为主体组建的中国石油化工集团公司，则以燕山、上海高桥、金陵、扬子等23家大型石化企业为基础，分别将原中国石油天然气总公司的胜利、中原、江汉等7家油气田企业和4家输油公司、1家石化企业和地方的23家石油销售公司划入。至此，中国改革开放以来最大，同时也是首次行业性整体重组完成。中国石油工业由中国石油天然气集团公司（简称中国石油集团）、中国石油化工集团公司（简称中国石化集团）和中国海洋石油总公司（简称中国海油）三大国有石油公司“三足鼎立”的局面最终形成。
（2）中国三大石油公司的经营现状与发展。
1998年中国石油工业的战略性资产重组，解决了长期以来石油和石化两大公司上下游分割、内外贸分离、产销脱节的状况，在上下游一体化的基础上，重建了其有竞争力的生产体系。重组后的中国石油、中国石化和中国海油三大国家石油公司不再承担政府职能，而成为真正的市场主体。
2000年4月6、7日，中国石油天然气股份有限公司（中国石油天然气集团公司最大的控股子公司）股票首先在香港、纽约上市成功。时过半年，10月18日、19日，中国石化股份有限公司（中国石油化工集团公司的子公司）股票也在香港、纽约、伦敦三地上市成功。中国海洋石油股份有限公司（中国海洋石油总公司的子公司）的股票于2001年2月27日和28日分别在纽约和香港挂牌上市，成功进入国际资本市场。
中国石油集团是中国最大的国有石油企业，是国内最大的油气生产商、供应商。拥有大庆、辽河、新疆、四川等14家大型、特大型油气田生产企业和大连石化、兰州石化、抚顺石化等16家大型炼化企业及19个油品销售企业；业务领域涉及石油天然气勘探开发、炼油化工、管道运输、油气炼化、产品销售、石油工程技术服务、石油机械加工制造、石油贸易等多个领域，在国内石油、天然气生产、加工和销售市场中都占据主导地位。近年来，中国石油集团不断加快主营业务发展，实施“东西共进，油气并举”的经营战略，先后发现了多个5000万至1亿吨级储量规模油田，新疆油田、长庆油田、塔里木油田原油产量也相继突破千万吨；在天然气业务方面，储量、产量都有大幅提升，尤其是在天然气管道建设方面，先后完成西气东输、陕京二线、忠武线（四川忠县—武汉—长沙）、涩宁兰管道及冀宁管线等项工程的建设，为国民经济发展和能源供应安全提供了强有力的保证；在原油炼化业务方面，形成了3个千万吨级和12个500万吨级炼厂，2005年原油加工量达11061万吨，总原油加工能力超过12500万吨。
近年来，中国石油集团海外油气业务领域和规模不断扩大，发展模式也已由单一的合作开采向跨国并购、风险勘探和上下游一体化方向发展。目前，海外油气项目已经扩大到60多个，同时，充分利用中国石油工业发展的50多年所形成的勘探开发、炼油化工、管道建设、工程建设等方面的完整的服务体系，广泛开展国际合作，目前，中国石油在海外的技术服务队伍已发展到400多支，遍及50多个国家和地区。
作为中国第二大国有石油企业的中国石化集团的海外触角已经延伸到伊朗、也门、阿尔及利亚、土库曼斯坦、尼日利亚、吉尔吉斯斯坦等多个国家和地区。在伊朗，中国石化集团采用回购方式在当地一处油田提供风险勘探服务；在也门，中国石化集团利用产品分成方式，享有该国某区块37.5%的合同者权益；在土库曼斯坦和吉尔吉斯斯坦的两处油田，中国石化集团通过提供工程服务和研究的方式，为最终进入打下基础；对阿尔及利亚和尼日利亚的边际油田则动用投入较少的产品分成法获得利益。
中国石化集团还计划到2010年，要把中国石化股份有限公司建成主业突出、资产优良、股权多元、科技创新、管理科学、财务严谨、具有较强国际竞争力的世界级一体化能源化工公司。
第三大国有石油公司中国海油，是中国最大的海上油气生产商，在中国海域拥有渤海湾、南中国海西部、南中国海东部及中国东海四个主要作业区，油气产量不断提升，2005年底国内油气总产量达3364万吨。
近年来，中国海油公司加快实施国际化战略，通过一系列资产并购等资本运营方式在全球范围迅速扩张，海外业务呈现了跨越式发展。自2003年以来先后成功实施了数宗大型海外油气资产并购，其中通过并购西班牙Re1aso1公司在印度尼西亚的部分油气资产，成为印尼最大的海上石油生产商；取得澳大利亚西北大陆架天然气项目内合资实体——中国液化天然气合资企业25%的股份，为中国第一个液化天然气（简称LNG）项目——广东LNG项目提供上游资源保证。2005年上半年，又以1.5亿加元购得加拿大MEG公司18.5%的股权。
此外，中国海油所属的专业技术服务公司也主动出击海外市场。中国海油油田服务股份有限公司2005年在印度尼西亚、缅甸、澳大利亚、伊朗等国家获得数项油田服务合同，已成为国际石油技术服务领域一支不可忽视的力量，并为公司创造了可观利润。
中国石油和中国石化近年来在世界500强中的排名变化
2000—2005年中国三大石油公司原油产量
2000—2005年中国三大石油公司天然气产量
2001—2005年中国三大石油公司总资产状况
如今，中国石油集团和中国石化集团已经进入世界500强行列，中国海油也正向世界500强进军。三大企业呈现出勃勃生机。中国石油在财富500强中的排名已由2001年度的第83位，上升至2006年度的第39位；中国石化从2001年度的第86位跃居到2006年度的第23位，取得中国公司在世界500强排行榜中的最好名次。
上述事实均表明，中国石油集团、中国石化集团和中国海油三家国家石油公司已成为全球大公司阵营和世界石油工业中一支不可忽视的重要力量，具备了一定的国际竞争力基础。