西南石油大学诞生于中国第一次石油大会战，首任校长马载（副部级、1949年时任热河省委副书记）率领来自清华大学、北京石油学院的教师（教师中还有部分从苏联莫斯科石油学院留学归国的毕业生，后来成为学校副校长的李士伦就是那批苏联留学生中的杰出代表）安营扎寨于荒野中，用“把祖国石油落后帽子甩到太平洋去”的精神创建了中国第二所石油本科高校。

西南石油大学文脉可溯源至清华大学石油系，清华大学石油系是在1952年由北洋大学的地质系、采矿系、化工系、机械系和清华大学的采矿系、化工系以及北京大学工学院、燕京大学工科部分合并组建而成的。1952年合并了北洋大学、清华大学、北京大学、燕京大学相关院系后的清华大学石油系效仿苏联莫斯科石油学院共设立石油钻井、石油开采、石油炼制、石油储运、石油矿场机械、石油炼厂机械六个本科专业，之前这六个专业在中国高校中从未设立过。1953年10月清华大学石油系正式从清华大学独立出来，成立了中国第一所石油本科高校——北京石油学院。1958年在国务院部署下，由清华大学、北京石油学院调入相关院系师资及图书仪器组建了中国第二所石油本科高校——四川石油学院（教师中还有部分从苏联莫斯科石油学院留学归国的毕业生，后来成为学校副校长的李士伦就是那批苏联留学生中的杰出代表）。学校作为清华大学石油系的一个重要文脉分支，建校当年即在石油钻井、石油开采、石油矿场机械、石油炼厂机械、石油地质、石油炼制、人造石油七个五年制本科专业招收本科新生（不办专科），西南石油大学从此高起点的开始了办学历程。1958年3月中国石油部部长余秋里在四川南充市指挥打响了新中国第一次石油大会战，面对世界专家的“中国贫油论”和国民经济建设的困难以及石油大会战的急需，中国政府决定成立第二所石油本科高校，校址设在石油会战指挥部所在地南充市。1958年8月，石油工业部先期招收643名本科新生（四川石油学院文化大革命前的招生计划全部都是五年制本科），分属石油钻井、石油开采、石油矿场机械、石油炼厂机械、石油地质、石油炼制、人造石油七个五年制本科专业。1958年9月石油部委派马载去南充筹划创建学校。9月20日，经国务院批准正式成立四川石油学院。学校在年轻的共和国倾举国之力展开中国历史上第一次石油大会战这个背景下开始了先有学生后建学校的破常规建校过程。1970年7月，国务院批准四川石油学院更名为西南石油学院。1972年，开始招收“工农兵大学生”，1977年恢复高考，停招工农兵大学生。 在西南石油大学校史馆中，收藏着一支美国生产的石油钻头——1979年邓小平访美时将它带回中国（后赠送给西南石油大学），作为中国改革开放“引进来”的标志之一。1978年学校招收中国首批硕士研究生。改革开放后，学校由建校之初的单一学科向多学科发展，在中国高校中较早获得了博士学位授予权（1986年），克服了地处四川南充地域优势缺乏、人才引进较难等诸多困难，取得了中国油气工业上游领域唯一国家重点实验室（1988年被世界银行确认为世行贷款项目）、中国首批国家重点学科（1988年）、中国工程院院士（学校教师罗平亚）等标志性成果，拥有联合国援建中国的“油井完井技术中心”和加拿大援建中国的“中加天然气勘探开发培训中心”，发展成为中国石油工业重要的人才培养基地和科学研究基地。2000年3月，学校划转为由中央与地方共建、以四川省人民政府管理为主的省属重点大学。2001年9月16日，中共四川省委常委柳斌杰、四川省副省长柯尊平等领导为学校成都新校区建设开工剪彩。2002年学校成都校区（一期850亩）正式投入使用，四川省政法管理干部学院并入，学校性质由学院发展成为涵盖工科、理科、政法、经济、管理、教育、文学、艺术8大学科门类的大学。2003年学校批准升格为大学，2005年12月正式更名为西南石油大学。学校在2004年获批设立研究生院（试办）并在教育部全国学科评估中石油与天然气工程一级学科排名全国第一。2008年学校校庆期间中石油、中石化、中海油与四川省人民政府签署协议共建西南石油大学。2010年成都校区二期工程（1200亩）建成，成都中心校区与西南石油大学（南充）的两地办学格局正式形成。截至2013年校本部建成校园面积2300亩，三期开工。三期工程内容为：包括中央投资建设的本科综合实验楼（单体建筑面积6.5万m2）、海洋天然气水合物实验室在内的一批实验大楼、第三图书馆（文渊阁）、文化活动中心（单体建筑面积4.5万m2）、风雨网球馆、风雨羽毛球馆和海外留学生公寓。学校的配套设施不断完善，校门口设有成都地铁石油大学站。2010年学校成为国家“特色重点学科项目”建设高校，2011年学校跻身“国家建设高水平大学公派研究生项目”实施高校，2012年学校成为国家“中西部高校基础能力建设工程”重点支持建设高校和国家“专业学位研究生教育综合改革试点高校”，获批一期工程建设资金1.8亿元。2013年3月，学校获批国家大学科技园，6月美国雪佛龙（原名加利福尼亚标准石油）与学校签订战略合作协议。学校是雪佛龙在中国建立合作关系的第一所高校，也是雪佛龙全球16所合作高校中之一。2012年西南石油大学实到科研经费4.67亿元。据教育部统计，2013年科研经费最多的非211工程高校为西南石油大学，总金额达4.6亿元。2014年6月攀钢集团与学校签订签订了战略合作协议。