1958年4月，新疆石油管理局深入塔克拉玛干大沙漠开展石油勘探。1958年10月，新疆石油管理局塔里木勘探处在库车坳陷依奇克里克构造1号井获工业油流，发现依奇克里克油田。20年后，1977年5月17日，柯克亚构造柯参1井喷油，日产油达千吨，产天然气350万立方米，发现柯克亚凝析油田。凝析油属极轻质油，比重与汽油相近，应急时可直接加入汽车油箱使用。
1987年9月21日，位于盆地腹部的轮南1井获工业油流。1988年11月28日轮南2井获高产油气流，发现并证实了轮南油田，迎来了塔里木石油会战。
1989～1995年的塔里木石油会战，取得了重大战略突破。1989年10月19日塔中1井获高产油气流，发现塔中1油田。1992年塔中4井获高产油气流，发现塔中4油田。1993年11月发现中国最大的凝析气田牙哈气田。这一系列的发现，保证了石油产量的迅速增长。
1998年1月20日，克拉2井在中途测试中获高产天然气流，日产400万立方米，发现克拉2气田。这一发现是塔里木石油勘探特别重大的成果，在塔里木油气勘探史上具有重大意义。塔里木从此走上油气开发并重的新里程，促进了西气东输工程的立项并迅速建成，从而进一步提升了塔里木油田在中国石油工业的重要战略地位。
2009年中国石油塔里木油气区产油544万吨，产天然气180亿立方米，油气当量位居全国第四。天然气产量仅次于长庆，位居全国第二。