1946 年6月1日，中油公司創建於上海，原隸屬資源委員會（即今日經濟部國營事業委員會之前身）。
1949年隨政府播遷來臺後，改隸經濟部，總公司設址臺北市。主要業務範圍包括油氣之進口、探勘、開發、煉製、輸儲與銷售，以及石油化學原料之生產供應，業務設施遍布全臺。
2007年2月第 550 次董事會通過「中國石油股份有限公司」更名為「台灣中油股份有限公司（簡稱中油）」。
2016年6月17日董事會通過修改公司章程，總公司設籍於高雄市。
近年來，面對國內油品市場全面自由化之衝擊，為鞏固經營優勢，厚植競爭實力，中油除致力組織再造、精簡人力，並全面降低生產成本、追求最大效益，以邁向企業化經營；同時積極尋求與國際大油公司合作之機會，拓展上游探勘及石化、行銷通路，期擴大業務範疇，走向國際市場，邁向永續經營，成為一安全、乾淨、具競爭力的國際能源公司，持續為台灣民眾提供高效率、高品質的能源服務。
在追求營利的同時，身為國營事業的中油，不忘善盡企業社會責任，多年來除持續提升油品品質，引進推廣清潔能源液化天然氣，致力環境保護之外；更一本便民利民之立意，不計虧損，供應偏遠及離島地區軍民所需油料。同時持續社會關懷行動，除促進大眾對石油工業之了解，宣導用油及瓦斯使用安全，辦理安全衛生觀摩研討會，引領企業提升安全文化；並扶助弱勢團體，參與社會公益，獎助菁英選手，贊助藝文活動；協助廠礦周邊建設，致力生態保育，關心地方人文，推廣環境教育，帶動地方進步，不遺餘力；凡此正符合 21 世紀企業永續發展的普遍趨勢，企業經營走向兼顧經濟成長、環境保護、社會公益與福祉，在追求商業利益的同時，亦兼顧在社會正義、弱勢團體、安全衛生、社區發展及環境保護等面向的努力。
為順應世界潮流，配合國際環保趨勢，中油於 2003 年底正式訂定永續經營政策：
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資源有效利用，持續節水節能
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全面清潔生產，維護生態環境
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重視社會責任，擴大服務範圍
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建立環境指標，資訊透明公開
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積極投入研發，開創經營領域
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遵守政府法令，配合國際公約
台灣中油於2007年起自願性出版「永續報告書」，揭露ESG相關成果，善盡企業資訊公開之責。
在全球化石能源逐漸耗竭之際，中油願忠實擔任國內潔淨能源的主要生產與供應者，創造「環境保護、經濟發展與社會關懷」三贏局面，與各界攜手打造更美好的未來。