河南油田地理位置在渤海湾盆地的最南部，秦岭大褶皱的北边，是几个大的地块的碰撞结合带，复杂的地质背景形成了较多的中、新生代小凹陷。
江汉石油会战指挥部组织了5个地震队、1个钻井队、1个试油队和1个综合地质研究队到河南省南阳地区开展石油勘探。5个地震队首先开始对南阳凹陷进行地震勘探，钻井则在仅有重力普查资料的情况下打完了南1井。尽管没有油气发现，但解决了一个认识问题，南阳凹陷是一个下第三系凹陷，，且具有相当的沉积厚度，南1井井位钻在凹陷的北部斜坡上，根据重力图分析，凹陷的最深处在东南方向，因此部署了南2井。1970年10月南2井开钻，在下第三系核桃园组发现了厚达900米的生油岩，解决了南阳凹陷的生油条件问题，展示了良好的找油前景。
1971年5月，地震勘探结束了野外的地震资料采集，第一时间做出了南阳凹陷地震构造图，这才使得地质家们全面了解了南阳凹陷的基本情况。根据这个构造图以及前两口探井的资料分析，确定了南5一南10井的井位。南5井在钻到发第三系核桃园组时见到油砂，测井资料显示有8米多厚的油层。阎敦实总地质师闻讯从江汉会战指挥部特意赶来，他看到取出的油砂荧光显示很好，决定立即完钻试油。1971年8月7日，南5井出油。尽管单井产量只有2．94吨，但却有非凡的意义。南阳凹陷油气勘探的首战告捷，从第一口探井开钻到发现油田仅用了一年零两个月，这个速度是前所未有的。
这一消息传到北京，康世恩很是高兴。当时他正在参加国务院召开的一个会议，在会上向国务院报喜：“南阳发现工业油流，河南省成为我国的第16个出油省份了！”
接着，在南阳凹陷魏岗构造部署的南6井也发现良好的油气显示，完钻试油，日喷原油72．2吨。南阳凹陷的勘探实践总结出了中小盆地勘探的成功之路，首先要了解、确定盆地的生油区，这一区域通常在凹陷的最深处。然后，在生油区周围选择合适构造集中钻探，寻找各种类型的油气藏。
豫西的石油勘探打开了新局面。1972年春，江汉石油会战指挥部向燃化部呈报了《关于成立南阳地区石油勘探指挥部的请示报告》，很快得到批复。文件指出，为了加强南阳地区的石油勘探，经部党组讨论，并征得河南省委同意，决定成立南阳石油勘探指挥部。原先承担勘探任务的队伍调回胜利油田，在鄂西探区的部分队伍转战南阳。勘探队伍从湖北建南大山中将设备运到四川万县码头，顺长江而下，到湖北宣昌卸船装车运抵河南。1972年4月底人员陆续汇集到河南省新野县沙堰乡，5月1日在这个乡的学校操场召开了河南石油会战指挥部成立大会，很长一段时间河南油田被称为“五一油田”。会战初期条件艰苦，没有住的地方，职工们就自己搭席棚；车辆少，吊车更少，井队搬迁时后勤机关干部全体出动。卸车时，没有吊车，职工们想办法先挖好地坑，把车倒进去，让车厢和地面一样平，把大件设备用撬杠一点点撬上去。他们曾用这种办法，创造了钻井队“当天拆、当天搬、当天安、当天见进尺”的奇迹。
1973年11月7日，燃料部决定将南阳石油勘探指挥部改为河南石油勘探指挥部，制定了“立足南阳，着眼全河南”的勘探方针。康世恩对指挥杜志福说：“你就扛着钻机在河南省的地盘上到处给我戳，戳出油来，准备好后备战场，我就组织人去会战。”
河南石油会战指挥部坚决贯彻这一勘探方针，在抓紧南阳盆地勘探的同时，组织会战队伍征战泌阳、东濮、中牟等凹陷，甩开勘探。这时，正处在“文化大革命”时期，在极其观难的条件下，石油勘探取得了可喜成果。南阳地区专员有一次到油田视察问道：“南阳地区其他国营单位都油停产了，你们还干得热火朝天，有什么经验？”河南石油会战指挥部领导回答得很干脆：“顶住！”河南因派性发生的武斗不断，许多“造反派”为壮大势力动员石油职工加入，会战指挥部明确规定不许成立或参加任何派性组织；一些“造反派”人物要求召开群众大会，要求在干部大会上发言，会战指挥部坚决不允许：一些“造反派”要停产闹革命，会战指挥部提出勘探部署一点不能变，油气生产一天也不能停。就这样三顶两顶，顶住了闹腾，顶出了一个为油大干的好局面。
1973年，河南地质局在泌阳一带作了重力、磁力勘探，从重力图上发现了一个像簸箕一样小而隆起的凹陷称泌阳凹陷。1974年当地农民又报矿说泌阳栗园发现油苗，地质人员到现场取样化验为沥青质原油。这一情况非常重要，河南石油勘探指挥部立即调集两个地震队在泌阳凹陷作地震勘深。因为急于想揭开泌阳凹陷的地质秘密，所以在地震剖面只做出24公里的情况下，就在凹陷深部确定了泌1井井位。1975年开钻，在下第三系核桃园组发现厚达1500米的生油岩，证实泌阳凹陷具有良好的生油条件。1975年，3249钻井队在甩开勘探中承担了周口店地区周5井的钻井任务，正当钻探到2300米时，驻地遭遇到百年不遇的洪水。听到广播通知后，钻井队召开党员骨干会，决定紧急起钻。电机房进水了，他们用千斤顶支起发电机，用钢丝绳捆牢柴油罐。钻具起完后，洪水已漫过房星，全队120多名职工和4户家属以及附近的老乡全都挤在钻井平台上。洪水到达高峰时，水面接近钻井平台。粮食吃完了，队长挑了两个懂水性的小伙子，一人喝了一碗面糊，开始在激流中博击，游了4公里才遇到大堤，赶到县城打电话求救，并从当地粮站借了三袋面粉。就是靠这点粮食支撑，在洪水中坚持12天。石化部领导康世恩、张文彬等经常打电话了解救援工作，因为洪水太大无法靠近，只好紧急从胜利油田调来橡皮筏。领导亲自带抢险队用了两昼夜才把人员全部撤离到安全地带。大水退却后，人无伤亡，设备完好，燃化部因此表彰命名3249队为“英雄钻井队”。
地震提供的泌阳凹陷新构造图上，有一个双河构造，位置有利，处在生油区附近，地质人员就在构造顶部确定了泌4井井位。1976年5月，泌4井获得116．7吨的高产油流。泌阳凹陷的勘探取得重大突破，从第一口探井开钻到第三口探井出油，也刚好是一年零两个月。
石化部决定高效开发河南已经探明的油田，并与河南省政府商定，由江汉石油管理局抽调干部、专业队伍和物资设备充实河南石油会战指挥部。一场产能建设会战在中原大地拉开帷幕，江汉石油管理局局长张兆美受命组织会战、，兼任会战指挥部指挥，孙希敬等人担任副指挥，负责日常工作。张兆美率领1200人的先头部队火速赶到会战现场，随后江汉石油勘探局又在一个月时间内，迅速集中了40多个专业队伍、5000多人，连同800多台设备、近2万吨物资，运抵河南油田。从大庆、玉门、新疆、长庆等地调集的10000多名会战大军也陆续集结在南阳。1977年5月1日，河南石油会战指挥部召开了隆重的动员誓师大会。
古老的中原大地，钻塔林立，一场夺油大战如火如茶展开。会战第一个战役是当年在魏岗、双河油田抢建100万吨产能。为了赶时间，工程设计人员吃住在现场，仅用了3个多月时间就拿出两个油田开发建设的全套施工图纸，钻井、油建、管道、电讯各路工作迅速展开。职工中流传了一段顺口溜：“为了拿下100万，抢晴天，战雨天，睡够8小时吃饱三顿饭，其他时间就是干！干！干！”井下作业四队职工在泌7井试油中遇到强烈井喷，井口喷出的油气柱高达20多米。全队职工临危不惧，三次组织突击队抢装井口，有20余名职工先后被带硫化氢的天然气熏倒，最后终于制伏了井喷。会战指挥部副指挥孙麦则看到所有工人的棉衣从里到外都被原油浸透了，冷风一吹瑟瑟发抖，立即打电话联系，后勤部门连夜奔波70多公里，及时送来棉衣、棉鞋。到1977年年底，魏岗、双河油田全面投产，形成了百万吨的原油生产能力。为了解决原油出路，还在南阳建设了一个年加工能力20万吨的小炼油厂。
1978年底，河南南阳油田生产原油200万吨，为中国石油工业原抽年产量上亿吨作出了贡献。1979年，原油年产量达到225万吨，仅用了6年时间就全部收回了国家投资6．9亿元，成为高效开发的一个样板。