西南石油大學誕生于中國第一次石油大會戰，首任校長馬載（副部級、1949年時任熱河省委副書記）率領來自清華大學、北京石油學院的教師（教師中還有部分從蘇聯莫斯科石油學院留學歸國的畢業生，后來成為學校副校長的李士倫就是那批蘇聯留學生中的杰出代表）安營扎寨于荒野中，用“把祖國石油落后帽子甩到太平洋去”的精神創建了中國第二所石油本科高校。
西南石油大學文脈可溯源至清華大學石油系，清華大學石油系是在1952年由北洋大學的地質系、采礦系、化工系、機械系和清華大學的采礦系、化工系以及北京大學工學院、燕京大學工科部分合并組建而成的。
1952年合并了北洋大學、清華大學、北京大學、燕京大學相關院系后的清華大學石油系效仿蘇聯莫斯科石油學院共設立石油鉆井、石油開采、石油煉制、石油儲運、石油礦場機械、石油煉廠機械六個本科專業，之前這六個專業在中國高校中從未設立過。
1953年10月清華大學石油系正式從清華大學獨立出來，成立了中國第一所石油本科高校——北京石油學院。
1958年在國務院部署下，由清華大學、北京石油學院調入相關院系師資及圖書儀器組建了中國第二所石油本科高校——四川石油學院（教師中還有部分從蘇聯莫斯科石油學院留學歸國的畢業生，后來成為學校副校長的李士倫就是那批蘇聯留學生中的杰出代表）。學校作為清華大學石油系的一個重要文脈分支，建校當年即在石油鉆井、石油開采、石油礦場機械、石油煉廠機械、石油地質、石油煉制、人造石油七個五年制本科專業招收本科新生（不辦專科），西南石油大學從此高起點的開始了辦學歷程。
1958年3月中國石油部部長余秋里在四川南充市指揮打響了新中國第一次石油大會戰，面對世界專家的“中國貧油論”和國民經濟建設的困難以及石油大會戰的急需，中國政府決定成立第二所石油本科高校，校址設在石油會戰指揮部所在地南充市。
1958年8月，石油工業部先期招收643名本科新生（四川石油學院文化大革命前的招生計劃全部都是五年制本科），分屬石油鉆井、石油開采、石油礦場機械、石油煉廠機械、石油地質、石油煉制、人造石油七個五年制本科專業。
1958年9月石油部委派馬載去南充籌劃創建學校。9月20日，經國務院批準正式成立四川石油學院。學校在年輕的共和國傾舉國之力展開中國歷史上第一次石油大會戰這個背景下開始了先有學生后建學校的破常規建校過程。
1970年7月，國務院批準四川石油學院更名為西南石油學院。
1972年，開始招收“工農兵大學生”，1977年恢復高考，停招工農兵大學生。
在西南石油大學校史館中，收藏著一支美國生產的石油鉆頭——1979年鄧小平訪美時將它帶回中國（后贈送給西南石油大學），作為中國改革開放“引進來”的標志之一。
1978年學校招收中國首批碩士研究生。改革開放后，學校由建校之初的單一學科向多學科發展，在中國高校中較早獲得了博士學位授予權（1986年），克服了地處四川南充地域優勢缺乏、人才引進較難等諸多困難，取得了中國油氣工業上游領域唯一國家重點實驗室（1988年被世界銀行確認為世行貸款項目）、中國首批國家重點學科（1988年）、中國工程院院士（學校教師羅平亞）等標志性成果，擁有聯合國援建中國的“油井完井技術中心”和加拿大援建中國的“中加天然氣勘探開發培訓中心”，發展成為中國石油工業重要的人才培養基地和科學研究基地。
2000年3月，學校劃轉為由中央與地方共建、以四川省人民政府管理為主的省屬重點大學。 2001年9月16日，中共四川省委常委柳斌杰、四川省副省長柯尊平等領導為學校成都新校區建設開工剪彩。2002年學校成都校區（一期850畝）正式投入使用，四川省政法管理干部學院并入，學校性質由學院發展成為涵蓋工科、理科、政法、經濟、管理、教育、文學、藝術8大學科門類的大學。
2003年學校批準升格為大學，2005年12月正式更名為西南石油大學。
學校在2004年獲批設立研究生院（試辦）并在教育部全國學科評估中石油與天然氣工程一級學科排名全國第一。
2008年學校校慶期間中石油、中石化、中海油與四川省人民政府簽署協議共建西南石油大學。
2010年成都校區二期工程（1200畝）建成，成都中心校區與西南石油大學（南充）的兩地辦學格局正式形成。截至2013年校本部建成校園面積2300畝，三期開工。三期工程內容為：包括中央投資建設的本科綜合實驗樓（單體建筑面積6.5萬m2）、海洋天然氣水合物實驗室在內的一批實驗大樓、第三圖書館（文淵閣）、文化活動中心（單體建筑面積4.5萬m2）、風雨網球館、風雨羽毛球館和海外留學生公寓。學校的配套設施不斷完善，校門口設有成都地鐵石油大學站。
2010年學校成為國家“特色重點學科項目”建設高校，2011年學校躋身“國家建設高水平大學公派研究生項目”實施高校，2012年學校成為國家“中西部高校基礎能力建設工程”重點支持建設高校和國家“專業學位研究生教育綜合改革試點高校”，獲批一期工程建設資金1.8億元。
2013年3月，學校獲批國家大學科技園，6月美國雪佛龍（原名加利福尼亞標準石油）與學校簽訂戰略合作協議。學校是雪佛龍在中國建立合作關系的第一所高校，也是雪佛龍全球16所合作高校中之一。
2012年西南石油大學實到科研經費4.67億元。據教育部統計，2013年科研經費最多的非211工程高校為西南石油大學，總金額達4.6億元。
2014年6月攀鋼集團與學校簽訂簽訂了戰略合作協議。