长庆油田的历史可以追溯到1950年代，那时它开始进行初步的勘探工作。1970年，根据国务院和中央军委的文件（70）81号，[兰州军区]正式成立了兰州军区长庆油田会战指挥部，起初设在甘肃省庆阳地区的长庆桥村，后来于1971年迁至庆阳县北关，当时的庆阳地区现称庆阳市和庆城县。
1983年，经石油工业部批准，长庆油田勘探局更名为长庆石油勘探局。1998年，勘探局机关和科研单位搬至陕西省西安市北郊的未央区张家堡街道东部，称为兴隆园小区。同年，企业进行重组改制，主要分为中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司（作为业务主体）、中国石油天然气股份有限公司长庆石化分公司（原咸阳助剂厂，上市部分）和未上市的长庆石油勘探局（人员占原油田大部）三个部分。测井业务整合为中石油集团测井有限公司长庆事业部，物探业务则归属东方地球物理勘探有限公司长庆研究院。
从2000年1月1日起，长庆油田开始独立运营。2008年3月，中国石油天然气集团公司对长庆石油勘探局进行重大调整，将其钻井工程业务与四川石油管理局的部分业务合并，成立了川庆钻探工程公司，其余部分则划归中国石油长庆油田分公司，保留“长庆石油勘探局”的法人资格。因此，自那时起，长庆油田实质上成为隶属于中国石油天然气股份有限公司的长庆油田分公司，这一转变在2008年3月后正式生效。
长庆油田勘探区域主要在陕甘宁盆地，勘探总面积约37万平方公里。油气勘探开发建设始于1970年，先后找到油气田22个，其中油田19个，累计探明油气地质储量54188.8万吨（含天然气探明储量2330.08亿立方米，按当量折合原油储量在内）。从2003年到2007年12月，只用了短短四年时间就实现了从1000万吨到2000万吨的大跨越，成为国内仅次于大庆油田、胜利油田的第三大油田。