Thực hiện chính sách mở cửa của Đảng và Chính phủ nhằm thu hút các Công ty dầu khí quốc tế đầu tư tìm kiếm thăm dò dầu khí tại Việt Nam, ngay từ năm 1987 Tổng cục Dầu khí (sau là Tổng Công ty Dầu khí Việt Nam và nay là Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam) đã ra quyết định thành lập Công ty PV-II. Ngày 17/11/1988 Tổng cục Dầu khí đã ra Quyết định số 1195/TC-DK thành lập Công ty Petrovietnam I (PV-I), là tiền thân của Công ty Thăm dò - Khai thác Dầu khí (PVEP) và Công ty Đầu tư - Phát triển Dầu khí (PIDC) với nhiệm vụ giám sát các hợp đồng thăm dò, tìm kiếm dầu khí triển khai tại thềm lục địa phía Bắc (PV I) và phia Nam Việt Nam (PV II). Trong giai đoạn 1990 - 1992, số lượng các hợp đồng chia sản phẩm (PSC) được ký kết tăng cao (thời điểm cao nhất lên tới gần 40 hợp đồng), quy mô và phạm vi hợp đồng có nhiều thay đổi. Để nâng cao hiệu quả công tác quản lý, giám sát các hợp đồng PSC cũng như công tác thăm dò và khai thác dầu khí, Tổng Công ty Dầu khí Việt Nam quyết định đổi tên Công ty PV-I thành Công ty Giám sát các hợp đồng chia sản phẩm (PVSC) và công ty PV II thành Công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí (PVEP).

 Với mục tiêu đầu tư tìm kiếm, thăm dò, khai thác ra nước ngoài, ngày 14/12/2000 Tổng Công ty Dầu khí Việt Nam đã có Quyết định số 2171/QĐ-HĐQT thành lập Công ty Đầu tư - Phát triển Dầu khí (PIDC) trên cơ sở tổ chức lại Công ty PVSC.

  Ngày 04/05/2007, Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam đã ra quyết định số 1311/QĐ-DKVN thành lập Công ty mẹ - Tổng công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí trên cơ sở tổ chức lại hai công ty PVEP và PIDC. Tổng công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí hoạt động theo mô hình công ty mẹ - công ty con, trong đó Công ty mẹ - Tổng công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí là Công ty Trách nhiệm hữu hạn Nhà nước một thành viên do Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam nắm giữ 100% vốn điều lệ. Việc thành lập Tổng công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí nhằm thống nhất hoạt động sản xuất kinh doanh trong lĩnh vực thăm dò, khai thác dầu khí ở Việt Nam và ở nước ngoài.