在塔里木盆地位于库车县东北130公里的天山南麓，1958年发现并开采了依奇克里克油田；1977年在位于塔里木盆地西南缘昆仑山北麓山前斜坡带、离叶城南50公里处，发现并开采柯克亚油气田。进入21世纪，新疆油田成为年产量突破1000万吨的大油气田。准噶尔盆地被认为是我国陆上油气资源最现实的战略接替区，石油预测总储量为86亿吨，天然气为2.1万亿立方米。截至2008年底，探明石油储量20.55亿吨，然而半个世纪以来，这里的天然气勘探没有实现实质性突破，2005年和2006年的天然气年产量都没有超过30亿立方米。2007年以来，准噶尔盆地天然气勘探取得跨越式发展，先后在盆地南缘和腹地发现了多个大型气田，使这一地区天然气的探明储量超过2136亿立方米。2008年12月初，环准噶尔盆地天然气输送管网全线正式投入使用，这一首尾相连的输气管网，把盆地内各油田、气田生产的天然气输送到独山子石化、乌鲁木齐石化及克拉玛依石化公司，在新疆北部实现天然气资源的灵活配置，有效缓解乌鲁木齐、石河子等北疆主要城市天然气供需紧张的矛盾，并改善这些城市的空气质量。到2007年，新疆油田累计生产原油3.5亿吨，天然气近400亿立方米。原油产量27年持续稳定增长，近年来每年有1亿吨的石油地质储量被探明，每年增加30万吨至50万吨油气当量，成为我国西部最大的油田。2008年新疆油田原油产量居中国陆上油田的第4位。
2.塔里木油田。自中苏石油公司成立，到20世纪80年代前的30年间，曾先后5次对塔里木盆地进行了一定规模的勘探，由于受科学技术水平和认识水平的限制，只发现上面讲的2个小油田，1990年柯克亚油田产量为12万吨，依奇克里克油田产量为0.024万吨。
塔里木油田大开发，首先得益于中共十一届三中全会后的改革开放。
1982年，原石油工业部与美国地球物理服务公司（GSI）合作，进军号称“死亡之海”的塔克拉玛干沙漠腹地，完成了遍布沙漠的地震调查工作，基本查清了全盆地的地质构造格局，发现了一批大型和特大型的圈闭构造，打开了大规模进军塔里木的大门。1986年原石油工业部组建新疆石油管理局南疆石油勘探公司，对盆地内有利的构造进行钻探，在轮南、英买力等地区获得重要油气发现。1989年成立中国石油天然气总公司塔里木石油勘探指挥部，标志着塔里木盆地的勘探进入了一个新的历史时期。所谓新的历史时期，主要是指“西部油田的开发经营要和大庆有所不同。首先，发展石油工业一定要有一个好的机制，新油田应该按照现代企业制度的规范进行操作，效率要高；其次，西部石油要通过地方的积极参与，带动地方经济的发展；第三，石油勘探开发与石化工业同步发展，形成综合型的上、中、下游同步发展的局面。”
大规模的油气勘探工作由盆地边缘塔北隆起逐步向沙漠腹地挺进，不断取得重大突破。同时，中国政府委托原中国石油天然气总公司对外国石油公司在塔里木盆地进行风险勘探招标。有美国埃克森公司、意大利阿吉普公司、日本石油公司等10家外国公司，分别在盆地东南部和西北部的8个区块进行风险勘探，总面积9.8万平方公里。另外，中国石油天然气总公司属下的大庆、华北、中原、辽河等油田和新疆石油管理局等，集中全国90%以上的深井钻机也在塔里木盆地进行风险勘探。经过10年会战，在塔里木盆地北部和腹地先后探明轮南、桑塔木、解放渠东、吉拉克、东河塘、牙哈、英买力7号、羊塔克、塔中4号、塔中16号、和田河等11个大中型油气田，发现39个工业性含油气构造。
特别是1997年以来，发现了克拉2、依南2、和田河等大型天然气田，为中国政府作出实施西气东输一线工程提供了资源保证。西气东输，就是把中国西部新疆的天然气通过大口径的输气管道，输往东部江苏、上海等地的天然气输送工程。西气东输一线工程包括塔里木盆地等上游气田的开发、主干管道的铺设以及下游天然气利用的配套设施建设等。据估算，总投资超过3000亿元，年输气能力120亿立方米，是国家西部大开发的标志性工程。西气东输的输气管线，从新疆塔里木的轮南出发经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏，最后到达上海市。全长4200多公里，其中新疆段就达1200公里。2001年9月，工程东、西试验段同时开工，2002年7月，西气东输一线工程全线开工兴建，在塔里木气田、库尔勒、陕西延川黄土塬、江苏无锡新区和上海白鹤镇5个施工工地同时开工。可以说塔里木克拉2气田的建成投产起了关键作用。克拉2气田含气面积47平方公里，地质储量2840亿立方米，气田单井产能每天可达到150万立方米，气田的设计年产能力可达107亿立方米，可稳定向外供气30年。2003年8月27日，近万名建设者进入这片不毛之地，通过15个月的努力，完成了通常需要24个月才能完成的建设任务。2004年12月1日建成并一次性投产成功。2004年12月30日，西气东输一线工程正式开始全线商业运营。这项工程正在使中国80多个大中城市的2亿多居民受益。2008年塔里木盆地年输气量达到158亿立方米。
到目前，先后发现6座大中型气田，累计探明天然气储量7241.34亿立方米。2007年4月25日，英买力气田群建成投产，作为西气东输的第二气源地，年输天然气25亿立方米；迪那2气田已开工，2009年建成投产，可年产天然气40亿立方米，凝析油32万吨，将成为西气东输的又一个主力气源。
2008年塔里木油田年产石油、天然气油气当量超过2000万吨，原油产量居中国陆上油田的第7位。
3.塔河油田，位于塔里木盆地北部，由地质矿产部西北石油地质局（1997年更名为中国新星石油公司西北石油局）开发和管理。1980年该局在塔北地区开展物探勘察工作，相继钻探跃参1井、阿参1井和沙参1井，勘察的结果证明，该地区具备了生成石油的基本条件。1984年，当沙参2井钻至5319.18米时，强烈井喷发生，原油呼啸着喷涌而出，据初步计算，该井原油日产量达1000吨左右，天然气日产量达200万立方米。从1987-1996年，先后又发现了9个油气田。1998年发现“塔河”亿吨级大型整装油田。塔河油田的原油产量由10年前的37万吨，跃升到2007年的536万吨，探明储量由2100万吨递增到7.69亿吨，2008年塔河油田原油产量突破600万吨，居中国陆上油田的第9位，跻身我国陆上十大油田之列。
4.吐哈油田。吐哈油田负责吐哈盆地的油气勘探开发建设，吐哈盆地石油勘探工作始于20世纪50年代，由于技术条件和认识水平的限制，早期勘探没有取得大的进展，先后找到胜金口、七克台两个小油田，探明近200万吨石油地质储量，其后勘探工作中断了一个时期。1991年2月，中国石油天然气总公司正式成立了哈密-吐鲁番石油勘探开发会战指挥部，以玉门油田为主体，华北油田、中原油田、北京勘探开发研究院、物探局等单位参加，开展了吐哈石油会战。经过几年的艰苦奋战，一个新型的石油、天然气生产基地迅速崛起在新疆东部。先后发现了鄯善、丘陵等16个油气田和5个含油气构造，累计探明石油地质储量2.31亿吨，天然气地质储量713亿立方米，建成了300万吨原油的生产能力。
2007年，吐哈油田勘探开发揭开新的一页，在三塘湖牛东地块石炭系打出了数口百吨井，使三塘湖油田的日产量突破1000吨。专家认为在石炭系勘探开发取得的成绩，填补了中国石油史上的空白。
2007年，新疆原油开采量2640万吨，天然气产量212亿立方米，原油产量居全国第三位，天然气产量居全国第一位。如果折算成总油气当量，达到4330万吨，已超过大庆，成为我国最大的油气产区。2008年新疆原油产量达到2740万吨，超过山东省，成为中国第二大产原油省区。石油和石化产业已成为新疆第一大支柱产业，占到自治区工业比重的70%左右。到2010年，力争油气当量达到6000万吨目标。经预测，新疆石油资源量为208.6亿吨，占全国陆上资源量的30%；天然气资源量10.8万亿立方米，占全国陆上天然气资源量的34%。累计探明石油地质储量38亿吨，天然气地质储量1.3万亿立方米。新疆理所当然地成为中国最重要的能源战略基地。
石油化工工业将形成4大基地：独山子-克拉玛依，乌鲁木齐、吐哈、南疆（库车、泽普）。独山子炼油厂（独山子石化公司）是一个历史悠久的老厂，新中国成立以来，经过多次技术改造和扩容，到1990年年加工能力达到250万吨，生产溶剂油、燃料油、润滑油、沥青、石油焦、石油酸等10大类、21个系列、130种产品，成为一个燃料-润滑油-化工型炼油厂。90年代建成了14万吨乙烯工程。克拉玛依炼油厂（现名克拉玛依石化公司），1959年兴建，至1990年具备了年加工150万吨稠质原油的能力，是一个燃料-润滑油-沥青型炼油厂。乌鲁木齐石油化工厂，1982年改称乌鲁木齐石油化工总厂，由炼油厂、化肥厂、塑料厂组成。现称中石油乌鲁木齐石化分公司。主要生产汽油、轻柴油、喷气燃料、沥青、液化石油气、尿素、对苯二甲酸、聚酯、涤纶短纤维等，是一个燃料-化工型石化企业。泽普石化厂，隶属于新疆石油管理局泽普石油天然气公司。1986年5月1日动工兴建，1990年8月31日通过国家竣工验收。包括年加工能力15万吨炼油厂和年产6万吨合成氨化肥厂。泽普石化厂国家预算内基建投资贷款5.3亿元全部豁免，是国家南疆扶贫重大项目。
实施西部大开发以来，新疆按照“大力支持上游、积极介入中游、加快发展下游”的原则，充分利用好国内国外两种资源、两个市场，大力发展大型炼油、大乙烯、大芳烃、大化肥、精细化工、高性能合成材料等石油、天然气下游产品，尽快建成我国重要的石化产业集群。独山子1000万吨炼油、100万吨乙烯工程正在建设之中，2009年建成投产。中石油乌鲁木齐石化分公司100万吨PX（大芳烃）项目等国家级大项目已启动，2010年7月17日建成投产。克拉玛依将利用独特的稠油资源，建成国内最大的环烷基润滑油生产基地。南疆依托天然气资源正在形成一条强势的石化产业带：以库车为轴心的稠油加工和天然气化工区建设如火如荼；以泽普为中心生产复合肥及精细化工产品；以和田为圆心正在利用丰富的天然气，加快推进城市气化和天然气发电。到2020年，新疆将建成全国大型油气生产和加工基地，我国重要的能源资源战略基地。
新疆是我国重要的能源战略基地，还由于新疆是我国重要的能源安全国际通道。目前中国从中东和非洲进口的石油主要是通过海上运输，过分依赖中东和非洲地区的石油和单一的海上运输路线，一旦发生问题，正常的石油进口将无法得到保证。因此，以新疆为基地，建设中亚、西南亚能源战略通道，对保障我国的能源安全具有十分重要的意义。中国哈萨克斯坦输油管线一期工程已竣工投产，年输油能力1000万吨，二期工程完成后，年输油能力将达到3000万吨。西气东输二线工程西段从新疆霍尔果斯至宁夏中卫已于2008年2月开工，西气东输二线工程是中国第一条引进境外天然气资源的大型管道工程，西起新疆霍尔果斯口岸，南至广州、香港，东达上海，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、江西、湖南、广东、广西、浙江、上海、江苏、安徽等14个省、区、市，管道主干线和8条支干线总长9102公里。工程设计年输气能力300亿立方米，总投资1422亿元。西气东输二线与同期建设的中亚天然气管道衔接。中亚天然气管道西起土库曼斯坦与乌兹别克斯坦边境，穿越乌兹别克斯坦中部和哈萨克斯坦南部地区，在中国新疆霍尔果斯入境。管道全长1801公里，由中石油分别与乌兹别克斯坦油气公司、哈萨克斯坦油气公司成立天然气管道合资公司共同建设，预计2009年底实现单线通气，2011年实现双线通气。届时，以土库曼斯坦为主供气源，哈萨克斯坦与乌兹别克斯坦为补充气源的进口天然气将通过西气东输二线工程向珠三角和长三角输送。西气东输二线建成后，可使我国天然气消费比例提高1至2个百分点，使用清洁天然气后，每年可替代煤炭7680万吨，减少二氧化碳排放1.3亿吨、二氧化硫排放144万吨、粉尘66万吨、氮氧化合物36万吨。2009年2月7日，西气东输二期工程东段（宁夏中卫-广州、香港）在深圳举行开工典礼。