1955年5月12日，国务院批准成立茂名页岩油厂筹建处。

1958年，开始开采页岩油矿。

1958年3月，试产出页岩油。

1963年，100万吨/年的一蒸馏装置建成投产，公司由生产人造油向加工天然原油为主转变。

1964年5月，更名为石油工业部茂名石油公司。

1974年，原油一次加工能力达到500万吨/年。

1975年5月，更名为广东省茂名石油工业公司。

1976年，建设年产15万吨润滑油生产系统，炼油厂从燃料型向燃料润滑油型转变。

1983年，中国石油化工总公司成立，公司划归石化总公司管理。

1984年1月，更名为中国石油化工总公司茂名石油工业公司。

1990年以来，250万吨/年第三套蒸馏、三催化、水东港成品油码头及我国首座最大的25万吨级单点系泊原油接卸储输系统相继建成投产，公司原油一次加工能力达到850万吨/年，二次加工能力达到520万吨/年，成为全国原油加工能力最大，加工进口原油数量最多，技术最先进的企业之一。

1991年3月12日，国务院批准建设30万吨/年乙烯工程。

1992年1月，更名为中国石化茂名石油化工公司。

1993年11月，30万吨/年乙烯工程正式开工建设。

1996年8月，30万吨/年乙烯工程建成投产，公司实现从炼油为主向以石油化工为主的重大转变。为落实国务院五项优惠政策，

1999年5月12日，以炼油厂、动力厂为基础，对主业经营部分资产进行改制重组，登记注册成立了茂名石化炼油化工股份有限公司。

2000年，集团公司重组改制后，茂名石化公司划分为中国石化茂名炼油化工股份有限公司（子公司）、中国石化股份有限公司茂名分公司（分公司）和中国石化集团茂名石油化工公司（存续公司）三部分。

2000年3月开始，作为上市部分的分公司、子公司与存续公司在财务上分帐分立。

2004年以来，按照“质量升级、隐患整改、结构调整、技术改造、挖潜增效”的“五位一体”方针，公司新建了焦化、催化重整、柴油加氢等装置，并将原焦化装置进行改造，使炼油加工手段更为完备，装置结构进一步改善。

2004年12月15日，实施100万吨/年乙烯改扩建工程。

2006年9月16日100万吨/年乙烯改扩建工程建成投产，创造了国内乙烯工程规模最大、建设工期最短、投资成本最低、设备和技术国产化率最高的新纪录。

2007年6月，中国石化集团资产经营管理有限公司茂名石化分公司成立，与中国石化集团茂名石油化工公司、中国石化股份有限公司茂名分公司对外统称茂名石化。

2017年11月1日，中国石化集团茂名石油化工公司更名中国石化集团茂名石油化工有限公司，并将中国石化集团资产经营管理有限公司纳入统一公司制改制获得成功，成为集团公司80家改制企业中，唯一一家为“重组+改制”的企业。标志着茂名石化公司自此建立了权责明确、相互制约的法人治理结构。

2020年12月31日，中国石化茂名石化260万吨/年浆态床渣油加氢装置成功投产。