国际合作可划分为“引进来”和“走出去”两大战略，国际合作加速了我国石油工业体系的现代化进程，实现天然气行业跨越式发展，保障了我国能源安全；提高了我国石油企业竞争力和科技创新能力；践行了我国“走出去”战略，是“一带一路”建设的主力军。
1．加速我国石油工业体系建设，保障我国能源安全
新中国成立初期，我国原油产量仅12万吨，经过石油会战后，我国初步构建了现代石油工业体系。随后，借助对外合作，我国现代石油工业体系快速成型并迅速发展，成为国民经济重要的支柱。在对外合作中，陆上和海上油田齐发力，尤其是海上油田，中国海油已与来自21个国家和地区的81家国际石油公司共签订228个对外合作石油合同，累计引进外资超2500亿元人民币，原油年产量达5000万吨，为我国原油供应和能源安全提供了巨大保障。
天然气产业也在对外合作中受益匪浅。天然气原先作为原油生产过程中的伴生物，并不受重视，但随着我国政府愈加重视环境保护及人民日益增长的天然气需求，天然气的消费量及其在一次能源中的消费占比显著提高。其中，LNG规模化应用、页岩气的勘探与开发等对外合作方式为天然气产业的跨越式发展提供了重要动力。
2．提高我国石油企业竞争力和科技创新能力
为提高我国石油企业竞争力，更好地与外国石油公司进行合作，中国政府对石油行业进行了改革重组，成立了中国石油天然气集团有限公司、中国石油化工集团有限公司和中国海洋石油集团有限公司三家国有石油公司。三家石油公司积极参与油气对外合作，积极践行“引进来”和“走出去”战略，在短短数十年发展成世界500强企业。三大石油公司在油气行业深耕数十载，攻克了众多关键核心技术，创新能力跻身世界前列，贡献了一系列先进的理论、技术和设备，如碳酸盐岩成藏理论、三元复合驱、超低渗透油气藏开发、高温高压钻完井技术、“海洋石油981”深水半潜式钻井平台、“深海一号”能源站。
3．成为“一带一路”建设主力军
1993年，中国的石油企业按照党中央、国务院“充分利用国内外两种资金、两种资源、两个市场”重大战略部署，率先走出去进行海外合作、参与国际石油市场竞争，2018年海外油气权益产量突破2亿吨。2013年以来，石油企业积极响应“一带一路”倡议，与共建国家全方位进行油气合作，推动油气业务一体化发展，先后与24个国家签订115个油气合作项目，成为“一带一路”建设主力军。基于此，中国摸索出了诸多油气投资方式，如上下游一体化模式、提供技术服务模式、联合竞标模式、公司收购模式等。
1．上下游一体化模式
“走出去”战略实施初期阶段，中国的石油公司主要依靠扎实的技术和拼搏奋进的精神开拓国际市场，发挥甲乙方一体化、上下游一体化和勘探开发一体化优势探索出了上下游一体化模式，即除完成勘探开发、建设采油设施外，同时还参与资源国炼油项目、运输管道等工程建设，帮助资源国搭建完善的石油工业体系。依靠这一模式，中国的石油公司先后在苏丹、乍得、尼日尔等国获得油气项目。1997年，中国石油与其他石油公司共同组建联合作业公司，开始开发南苏丹的黑格里格油田，随后修建了途经喀土穆直达苏丹港的输油管线，并建设了喀土穆炼油厂；2003年，中国开始进入乍得开展油气勘探开发，开发了多个油田项目，建设了罗科长输管线、恩贾梅纳炼油厂等；2008年，中国开始帮助尼日尔构建石油工业体系，建成阿加德姆油田、津德尔炼油公司和多条输油管线。
2．提供技术服务模式
随着中国的石油公司持续不断地参与国际油气项目，积累了一定的资金和丰富的油气项目参与经历，钻研出了先进的技术。借助上述优势，中国的石油公司开始寻找探寻新的投资模式，如通过参与服务合同提供技术服务。2009年，中国石油和中国北方工业公司联合获得艾哈代布油田勘探开发权，2011年6月投产初期产能；同年11月完成合同规定年600万吨产能建设任务。中国海油作为主承包商拥有伊拉克米桑油田群的技术服务合同63．75％的参与权益，2021年米桑油田群的日净产量约4．1万桶油当量。2021年，中国石化获得伊拉克曼苏里亚气田开发权。
3．联合竞标模式
随着中国的国有石油公司转变为国际化的国家石油公司，中国的石油企业积极与其他企业组成竞标联合体，共同投资国际油气项目。2009年，中国石油与碧辟公司联合中标伊拉克最大油田鲁迈拉油田的开发权，助力老油田复兴；2013年，中国石油、中国海油以多方联合体形式参与里贝拉油田（Libra）项目，并于2022年成功实现一期投产。
4．公司收购模式
除通过竞标、绿地投资等方式直接进行油气投资外，中国的石油公司还探索出通过收购进行投资的方式，其中最典型的案例是中国石油收购哈萨克斯坦PK石油公司。2005年，中国石油旗下公司中油国际以每股55美元现金要约购买了PK公司所有上市股份，总收购价值达41．8亿美元。收购之后，中国石油拥有了PK公司在哈国的所有资产，提高了中国石油在哈国地位，有助于中哈两国长期能源合作，也有助于利用中国石油上下游一体化经验进一步完善哈国石油工业体系。