克拉玛依油田的发现经历了艰难曲折的历程。准噶尔盆地蕴藏着丰富的油气资源，寻找和开发这些资源耗时半个多世纪，19世纪末20世纪初，在克拉玛依、独山子、乌鲁木齐以西的四岔沟、沙湾以西的博尔通古、玛纳斯东南的卡子湾、乌苏南边的将军沟等地发现大批油苗，据不完全统计有140余处，当地居民进行过土法开采，产量很少，仅供燃灯照明之用。
1897年，俄国驻迪化（今乌鲁木齐）领事曾提出要租借黑油山，以开采石油，被新疆地方当局拒绝。1907年新疆地方官吏为增加财政收入，曾采用机械方法开采石油，但产量很低，新疆商务局采集油样，派人送到俄国库班进行化验和评价，经俄国工匠蒸馏，每百斤可提净油六十余斤，表明油品性质优质。1909年，清朝政府新疆商务总局从俄国购买挖油机（顿钻）、提油机、制烛机等设备，雇佣俄国工匠在克拉玛依南部独山子地区用挖油机开掘油井，挖至七八丈时井内见到油气，采用提捞方法进行开采。文献记载：“运至独山子，开掘油井，深至七八丈，井内声如波涛，油气蒸腾，直涌而出，以火燃之，焰高数丈……油量甚丰”。表明钻井过程中钻遇油层，这是新疆地区近代采用机械钻凿的第一口油井，从此新疆独山子油矿诞生，这是准噶尔盆地石油工业发展的开端。
1936年新疆地方政府与苏联合作，组成了独山子石油考察厂，对独山子地区的石油进行了地质调查和钻探。1936年9月聘请苏联工程师，采用苏联钻机，在独山子构造开始钻探第一号井，1937年1月14日钻至井深200米完钻，原油喷出数尺之高，初期日产原油10吨，是独山子油矿第一口自喷井，生产不久即告枯竭。至1943年，独山子地区累计钻井33口。1943年苏联撤走技术人员和设备，1944年独山子油矿由甘肃油矿接管，此后勘探工作基本处于停滞状态，至1949年处于小规模生产。
这一时期，中外地质科学家对准噶尔盆地的地形、地貌、油气状况进行了考察和探测。1894年至1909年期间，俄国著名地质学家B．A．奥布鲁切夫先后四次深入准噶尔盆地进行地质考察，考察期间记下3000多页笔记，绘制了1：50万新疆地图，并编著《边缘准噶尔》一书，描述了黑油山沥青丘和乌尔禾沥青脉，把新疆准噶尔盆地列为含油远景地区。之后，苏联地质学博士杜阿耶夫也曾到新疆开展地质路线调查，编著《准噶尔盆地地质调查报告》，认为克拉玛依—乌尔禾地区石油生成于中古生界志留泥盆系沉积，运移到上部地层形成油藏，由于构造运动使其发生褶曲变形断裂，破坏了原有的油藏结构，同时，由于长期的地面剥蚀作用，含油地层裸露地表，石油流出地面，形成沥青丘。1935年，苏联科学考察团在准噶尔盆地南缘进行过区域地质调查。1942年至1943年期间，中国地质学家黄汲清、杨钟健、翁文波在新疆进行石油地质调查。