近代中国长期以来被认为是贫油国，19世纪末20世纪初的石油工业更多是依靠美国、日本和俄罗斯的技术援助开发油田，如1878年在美国帮助下台湾苗栗钻井采油成功；1907年陕西延长油井则是在日本帮助下开发完成。1937年与苏合作开采新疆独山子油田，1938年联合美苏共同开发的玉门油田，为抗日战争和解放战争做出了重要贡献。新中国成立后，中俄油气合作更加紧密，不同时期呈现出不同特点。
恢复经济建设期（1949－1978）
1949年新中国成立，全国石油产量只有12万吨（其中5万吨的人造油）。但社会主义建设事业的迅速推进导致石油需求急剧上升，以美国为首的西方国家对新中国实行贸易禁运，使我国石油工业发展雪上加霜。我国一边开始着力恢复和发展石油工业，一边积极加强对外石油贸易与合作。
苏联成为中国石油进口和合作的主要对象。1950年中国与苏联签署《中苏友好同盟互助条约》，正式确立同盟关系。苏联通过参与中国的能源项目、供应能源设备、培养能源技术骨干、开展石油贸易等形式对中国能源工业建设给予帮助。在我国第一个五年计划期间，援建了156个项目，推动了我国工业化进程。主要包括：把玉门油田建成石油工业基地；1950年中苏联合创办中苏石油股份公司，在中国新疆进行油气勘探开发；参与援建了兰州炼油厂第一期工程；聘请苏联专家到中国石油院校任教，以及派遣一批技术人员、留学生、进修生、实习生到苏联进行考察和学习。
直接进口苏联石油资源也是当时中苏能源合作的重要组成部分。1950－1954年，苏联是唯一向中国出口石油的国家，至1962年之前进口苏联石油一直维持着很高比重，绝大部分年份超过75％。但1960年后两国同盟关系破裂，能源合作最终陷入停滞。
改革开放时期（1978－2000）
1978年改革开放政策为中国石油工业带来了新的生机和活力。二十世纪八九十年代，中苏关系转向睦邻友好。苏联解体后，中苏关系平稳过渡到中俄关系，两国的能源合作随之展开。中国石油进口量从80年代后期就开始持续增长，1993年从石油出口国变成了进口国，国内石油需求猛烈增长，大大超过了国内石油供应能力。为了保障国家能源安全，中国石油工业大力实施“走出去”战略，通过加强国际能源合作及促进能源经济技术交流，积极拓宽能源领域对外开放渠道。
1994年，俄罗斯向中国提出了修建从西伯利亚到中国东北地区的石油管道的建议。1995年，两国石油部门就共建石油管道问题进行首次磋商。与此同时，中国石油天然气集团公司组团赴俄考察油田开发事项，中俄两国石油部门进行了初步接触。1996年，签订《俄罗斯联邦政府和中华人民共和国政府关于共同开展能源领域合作的协定》。1997年6月，签订《俄罗斯联邦燃料和能源部与中国国家石油天然气集团公司关于在石油天然气领域组织合作领域的协议》，并建立两国政府首脑定期会晤及其协调机构“总理定期会晤委员会”，下设能源合作分委员会，具体负责两国的能源合作事宜，开始就铺设从俄罗斯通向中国的输油、输气管道问题进行磋商。1998年，两国有关部门开始探讨合作铺设“安大线”石油管道问题。2000年，中国石油天然气集团公司与俄罗斯联邦能源部管道运输公司及尤科斯石油公司关于中俄原油管道项目可行性研究的谅解备忘录，并向尤科斯公司购买30万吨西伯利亚原油的购销合同。
国民经济大发展时期（2001－2012）
2000年，中俄两国签署了多个关于合作开发油气的文件，其中包括中国石油天然气集团公司与俄罗斯联邦能源部管道运输公司及尤科斯石油公司关于中俄原油管道项目可行性研究的谅解备忘录，以及向尤科斯公司购买30万吨西伯利亚原油的购销合同。2001年中国宣布实行能源多元化的政策，对中俄能源合作秉持更为积极的态度。中俄两国签署了《关于继续共同开展能源领域合作的协定》。2002年4月，两国计划在2003年开工建设从俄罗斯安加尔斯克到中国大庆的“安大线”，其后由于日本介入“安大线”遭到搁置。同年，中国石油竞购斯拉夫国家石油公司失败。这一时期，中俄在油气合作方面的接触有所增多，但一直保持在一个较低的水平上。
2003年，中国从俄罗斯进口的石油总量为200多万吨，仅占到中国进口石油总量的2％。而与此相呼应的是，同年俄罗斯出口的石油达到了2亿多吨，向中国出口的石油仅仅占到其出口总量的1％。2004年后，中国从俄罗斯进口的石油数量开始迅速增长。2006年3月普京访问中国期间，中俄两国政府就能源领域的合作签署了包括石油与天然气管道的修建项目在内的22个文件。同年，中石油集团和俄罗斯石油公司达成组建合资公司的协议。2008年10月，中俄总理第十三次定期会晤签署了《中国石油天然气集团公司和俄罗斯节道运输公司关于斯科沃罗季诺—中俄边境原油管道建设与运营的原则协议》，标志着中俄石油合作开始进入新的发展阶段。
2009年2月，中国石油、中国国家开发银行分别与俄罗斯石油公司、俄罗斯管道运输公司签署了贷款换石油的商业协议，向俄罗斯石油公司与俄罗斯管道运输公司分别提供150亿美元和100亿美元的20年长期贷款；俄罗斯在之后20年里通过管道向中国输送1500万吨石油。中俄两国在能源领域的合作逐步引向了深入和制度化，建立起一套以市场为原则的多领域长期合作，推动了双方合作由单纯的能源领域逐步扩大到整个经贸乃至国防科技等国家重要部门。中俄能源合作对话机制日趋完善，建立了总理定期会晤机制和中俄能源合作委员会；两国石油管道建设也顺利完成，中俄两国从单纯的原料进出口贸易关系发展成全面的投资开发合作伙伴关系，逐渐成为中方出资金、俄方出资源的“能源联盟”之势。
全景化治理时期（2012至今）
2013年中国提出“一带一路”战略构想，在我国和“一带一路”沿线国家的共同努力下一直稳步推进，油气合作在其中发挥着骨干作用。国内油气企业海外业务扩张放缓，国际合作从广度向深度转化，油气进口能力稳步提高，初步形成了西北、东北、西南以及海上四大油气进口战略通道。
2009年俄罗斯向中国出口石油1530万吨，2014年则增加到3300万吨，居中国石油进口国排序第三位。2016年俄罗斯向中国出口石油5238万吨，同比增长23．44％，占中国进口石油总量的13．75％，成为中国全年进口石油第一大来源国，并一直持续到现在。
2014年5月，双方签署了《中俄东线供气购销合同》，为期30年。标志中俄能源合作的高潮，并逐步向下游延伸。2017年8月，中俄合作的阿穆尔天然气加工厂开工，设计能力为年加工天然气420亿立方米，年产氦气600万立方米。2017年12月，中俄合作的亚马尔液化天然气（LNG）项目正式投产。2017年12月，中俄东线天然气管道工程全面加速建设，2019年12月北段投产，2020年底将全线贯通。中俄天然气合作从上游勘探延伸到下游加工链，合作迈向了新的水平。