1958年8月，石油工业部新疆石油管理局成立塔里木矿务局，当年10月发现塔里木第一个油田——依奇克里克油田；1977年发现塔里木盆地第二个油田——柯克亚油田。
1986年，新疆石油管理局成立南疆勘探公司，1988年11月18日轮南2井获高产油流。中国石油天然气总公司决定开展塔里木石油会战，于1989年4月，成立塔里木石油勘探开发指挥部。
1999年企业重组改制。中国石油天然气集团公司将原塔里木勘探开发指挥部的勘探开发等主业部分划出，组成中国石油塔里木油田分公司，并将原属新疆石油管理局的塔西南勘探开发公司整体划归塔里木油田分公司。总部设在格尔木市。