Trong bối cảnh miền Bắc vừa giải phóng sau năm 1954, cơ sở vật chất xăng dầu thiếu thốn, nhu cầu nhiên liệu cho khôi phục kinh tế và ổn định đời sống đặt ra cấp bách, ngày 12/01/1956 Bộ Thương nghiệp ban hành Nghị định số 09/BTN-NĐ.KB thành lập Tổng công ty Xăng dầu mỡ - tiền thân của Petrolimex ngày nay. Đây là lần đầu tiên Nhà nước có một tổ chức chuyên trách, thống nhất quản lý và tổ chức kinh doanh xăng dầu nhằm chủ động bảo đảm nguồn năng lượng thiết yếu phục vụ kiến thiết miền Bắc và hỗ trợ nhiệm vụ thống nhất đất nước.
Chức năng nhiệm vụ chủ yếu của Tổng Công ty là tiếp nhận, tồn trữ và cấp phát xăng dầu theo chỉ tiêu pháp lệnh để phục vụ an ninh, quốc phòng, kinh tế - xã hội và đưa ra tiền tuyến. Cuối năm 1988, Nhà nước bắt đầu cấu trúc lại Tổng công ty Xăng dầu; trong đ ó, có yếu tố hết sức quan trọng là chuyển giao nhiệm vụ cùng với một số cán bộ nghiệp vụ của bộ phận xuất nhập khẩu xăng dầu từ Tổng công ty Xuất nhập khẩu Khoáng sản (Minexport) sang Tổng công ty Xăng dầu. Từ đó, Tổng công ty Xăng dầu mới bắt đầu có chức năng xuất nhập khẩu xăng dầu bên cạnh chức năng đã có là cung ứng xăng dầu. Do trực tiếp thực hiện các hoạt động giao dịch đối ngoại ký kết các hợp đồng ngoại thương. Vì vậy, tên giao dịch quốc tế của Tổng công ty Xăng dầu là Petrolimex bắt đầu xuất hiện từ đó.
