中国的石油工业运营主体主要是以中国石油天然气集团有限公司（简称“中国石油”）、中国石油化工集团有限公司（简称“中国石化”）和中国海洋石油集团有限公司（简称“中国海油”）三大国家石油公司为支撑的，俗称“三桶油”，形成了独具特色的中国石油工业运行模式，还有国家油气管网公司。
1949年10月，燃料工业部成立，次年4月设立石油管理总局，负责新中国的石油工业生产建设。此后，燃料工业部先后重组为石油工业部、燃料化学工业部、石油化学工业部，至1978年再度更名为石油工业部。1982年2月，中国海洋石油总公司成立，全面负责对外合作开采海洋石油资源业务，1988年5月起，直属国务院管理。1983年7月，中国石油化工总公司成立，将原来分属石油部、化工部、纺织部管理的39个石油化工企业划归该公司，全面负责国内石油化工业务发展，1988年9月更名为中国石油化工集团公司。1988年9月，根据国务院机构改革方案，撤销石油工业部，成立中国石油天然气总公司。1998年，中国石油天然气集团公司和中国石油化工集团公司正式宣告成立。2017年至2018年，启动公司制改革，三家公司陆续变更为有限责任公司。
1．中国石油
中国石油是中国最大的油气生产和供应企业，是国内最大的油气生产商和供应商，在全球35个国家和地区开展油气投资业务。2000年4月，中国石油天然气股份有限公司（中国石油天然气集团公司最大的控股子公司）股票在香港、纽约上市成功；2007年11月，中国石油天然气股份有限公司在上海证券交易所挂牌上市。2022年，中国石油在《财富》杂志“世界500强企业”中排名位居第4位，在《石油情报周刊》评选的“世界最大50家石油公司”中位居第3位。
中国石油拥有大庆、长庆、新疆、四川、塔里木等16家大型、特大型油气田生产企业，以及大连石化、兰州石化、抚顺石化等31家大型炼化企业，还有分布于各省的37家油品销售企业、6家天然气销售企业。业务领域涉及石油天然气勘探开发、炼油化工、管道运输、油气炼化、产品销售、石油工程技术服务、石油机械加工制造、石油贸易、金融服务等多个领域，在国内石油天然气生产、加工和销售市场中都占据主导地位。中国石油旗下的上市公司包括中国石油天然气股份有限公司、中国石油集团工程股份有限公司、中国石油集团资本股份有限公司。
2．中国石化
中国石化是中国最大的成品油和石化产品供应商、第二大油气生产商，是世界第一大炼油公司、第二大化工公司，加油站总数位居世界第二。2000年10月，中国石化股份有限公司（中国石油化工集团公司的子公司）股票在香港、纽约、伦敦三地上市成功。2022年，在《财富》“世界500强企业”中排名第5位，在《石油情报周刊》评选的“世界最大50家石油公司”中位居第19位。业务领域涉及油气勘探开发、炼油生产经营、化工生产经营、产品营销、石油工程技术、炼化工程、新能源开发利用等。2021年，中国石化全年国内生产原油3515．4万吨，生产天然气338．8亿立方米；海外权益原油产量2829万吨，权益天然气产量99．55亿立方米；国内加工原油2．55亿吨。
中国石化旗下上市公司包括中国石油化工股份有限公司、中国石化石油工程技术服务股份有限公司、中国石化上海石油化工股份有限公司等。
3．中国海油
中国海油是中国最大的海上油气生产商，在中国海域拥有渤海湾、南中国海西部、南中国海东部及中国东海四个主要作业区。2001年2月，中国海洋石油股份有限公司（中国海洋石油总公司的子公司）的股票分别在纽约和香港挂牌上市；2022年4月，中国海洋石油有限公司在上海证券交易所挂牌上市。公司主要业务板块包括油气勘探开发、专业技术服务、炼化与销售、天然气及发电、金融服务等，并积极发展海上风电等新能源业务。2022年，中国海油在《财富》杂志“世界500强企业”中排名第65位，在《石油情报周刊》评选的“世界最大50家石油公司”中排名第29位。
中国海油旗下上市公司包括中国海洋石油有限公司、中海油田服务股份有限公司、中海石油化学股份有限公司、海洋石油工程股份有限公司。
4．国家油气管网公司
对于整个石油天然气产业链而言，管网处于中游，连接着上游勘探开发和下游加工销售两个竞争环节，起着非常重要的作用，相当于运输油气的高速公路，可以说“管网决定市场范围、管网决定发展空间”。油气管网主要包括长输管网（跨省长输管网、省内长输管网）、跨省支干管网、配气管网等。近年来，随着我国油气工业的快速发展，油气管网建设特别是天然气管网建设也进入了一个快速发展的阶段。截至2021年底，我国已建成运营的原油长输管道总里程3．1万千米、成品油管道总里程3．0万千米、天然气长输管线总里程8．9万千米，油气长输管道里程累计达到15．0万千米。
在国家油气管网公司成立前，我国油气管网建设运行主要采取自建自管模式。大型干线和支干线工程主要由三大石油公司投资建设，区域内支线主要由三大石油公司和地方资本投资建设。各投资主体以市场为导向，按线建设管道，自行管理运营，导致管网缺乏统一整体规划，互联互通程度不够，缺乏统一的调控和协同机制，存在重复建设、资源“南来北往”、管网运行效率低、开放程度不高、输配环节层级多等问题。此外，由于长输管网建设审批必须落实油气资源和市场，国内三家石油公司控制了绝大多数的上游油气资源供应，在管网投资方面形成了难以逾越的门槛，制约其他主体进行长输管网投资。
2017年，《关于深化石油天然气体制改革的若干意见》出台，明确了我国油气体制改革的思路和任务，基本思路是“管住中间，放开两头”，管住“中间”就是管住管网输送环节，改革油气管网运营机制，把管道独立出来，提升集约输送和公平服务能力。2019年3月19日，《石油天然气管网运营机制改革实施意见》发布，明确构建上游油气资源多主体多渠道供应、中间统一管网高效集输、下游销售市场充分竞争的“X＋1＋X”油气市场体系的改革部署，决定组建国有资本控股、投资主体多元化的国家管网公司。2019年12月9日，国家管网集团召开大会并正式成立。2020年10月1日，国家管网集团收购中国石油、中国石化、中国海油油气主干管网资产并正式投入运营。作为新的“国家队”，国家管网公司主要从事油气干线管道、储气库、LNG接收站等基础设施的投资建设和运营管理，负责原油、成品油、天然气的集约输送和“全国一张网”运行调度，定期向社会公开剩余管输和储存能力，实现了油气基础设施向所有用户公平开放的目标。
成立国家管网公司，实现了管输和生产、销售分开，以及向第三方市场主体的公平开放，有利于促进市场竞争，提高资源配置效率，更好地体现能源商品属性，发挥市场在资源配置中的决定性作用，进一步推进市场化的油气价格机制改革，激发市场活力，更好为经济社会发展服务。同时，加快推进互联互通工程和液化天然气（LNG）接收站等基础设施建设，构建“全国一张网”，有利于更好地在全国范围内进行油气资源调配，提高油气资源的配置效率、管网安全运行系数及应急和保供能力，促进油气市场安全稳定供应和民生保障。此外，统筹规划建设运营全国油气干线管网，也有利于减少重复投资和管道资源浪费，加快管网建设，改善管网投资建设效益，提升油气运输能力。