La 17 iune 1934, lângă Ploieşti, se punea piatra de temelie a unei noi rafinării în România. Investiţia, la acea vreme: 400 de milioane de lei (paritatea era de circa 100 de lei pentru un dolar, la vremea respectivă). Capacitatea de procesare a Societăţii Creditul Minier, cum se numea atunci rafinăria: 300.000 de tone de ţiţei pe an. Rafinăria era printre cele mai moderne din epocă: avea instalaţii de distilare atmosferică de ultimă generaţie, cracare termică şi rafinare a produselor albe, iar mai târziu a apărut şi o instalaţie pentru fabricarea benzinei de aviaţie, prin polimerizare.
Anii ’40 au fost cei care au marcat cei mai mult existenţa rafinăriei. După o creştere a capacităţii de rafinare (540.000 de tone pe an) şi creşterea parcului de rezervoare, războiul s-a făcut simţit. România a intrat în conflagraţia mondială alături de Germania, iar mare parte a producţiei mergea pentru a susţine maşinăria de război a celui de la treilea Reich. Evident, când a fost posibil, Aliaţii au trecut la represalii. În 1943 rafinăria a fost bombardată pentru prima oară de aviaţia anglo-americană (la 1 august 21 de bombardiere B-29, Superfortăreaţa zburătoare, au atacat instalaţiile), iar raidurile au continuat şi anul următor. După bombardamente, rafinăria a fost distrusă în proporţie de 75%. La jumătatea anului 1945, după terminarea războiului din Europa, rafinăria era însă din nou operaţională.
În anul 1948, a fost naționalizată, şi a făcut parte din primul Sovrom, Sovrom Petrol, instituţie creată de sovietici pentru a exploata la maximum resursele României, intrate în sfera de influenţă a URSS. Totuşi, a fost pusă în funcţiune a doua unitate de cracare catalitică şi al doilea turn de distilare atmosferică.
După moartea lui Stalin, Sovrom a fost desfiinţat, evident, cu plata corespunzătoare de către români către URSS a „cotei” sale cedate statului roman. În acelaşi an, 1956, în care producţia de ţiţei a României a atins 10 milioane de tone pe an (cam de două ori mai mult decât cea actuală), rafinăria a primit numele de Brazi, de la rafinăria nr.7 de pe vremea Sovrom-ului.
După anii ’60, rafinăria s-a tot dezvoltat şi modernizat (a apărut instalaţia de distilare atmosferică şi în vid, reformarea catalitică, etc.), cu tehnologie occidentală. Coincidenţă sau nu, oficialii companiei austriece OMV au ajuns prima dată la Brazi în 1964, când oficiali din această ţară au vizitat România.
După anii 70, când autorităţile comuniste, în încercarea de a folosi tot ce se poate din lanţul valoric al ţiţeiului, au început să dezvolte industria petrochimică, rafinăria şi unităţile petrochimice din zonă au fuzionat, sub umbrela Combinatului Petrochimic Brazi. Alte două unităţi gigantice de acest fel au existat în România, la Piteşti şi Borzeşti, acum oprite, iar comunismul a căzut înainte de terminarea următoarei, la Midia, care însă funcţionează acum.Evident, au fost şi excese. La comandă politică, au fost construite şi instalaţii care nu au fost folosite niciodată, cele mai cunoscute eşecuri fiind două instalaţii pentru producerea cauciucului sintetic şi o instalaţie mai mare pentru polietilenă.
În anul 1976, producţia autohtonă de ţiţei a atins apogeul: 15 milioane de tone. Deceniul următor, a fost construită o a doua rafinărie, pentru a procesa şi ţiţeiul importat. Sfârşitul perioadei comuniste găseşte rafinăria cu o capacitate de 7,5 milioane de tone (4 milioane de tone pentru ţiţeiul din producţia internă, restul din import).
La câţiva ani după căderea comunismului a început declinul sectorului de rafinare. Tot sectorul petrolier a fost strâns în ceea ce s-a numit Regia Naţională a Petrolului şi, ulterior, Compania Română de Petrol. La Petrobraz, investiţiile au continuat, dar CRP, cu toate cele zece rafinării din România, a murit. Mai mult, dependenţa de ţiţeiul de import a condus şi la falimentul Bancorex, bancă ce a creditat rafinăriile pentru importurile de ţiţei. Paguba, 650 de milioane de dolari, a fost plătită de toată populaţia României: timp de zece ani, românii au cotizat cu câte un cent pe fiecare litru de carburant cumpărat.
Petrobrazi a intrat însă, alături de rafinăria şi combinatul petrochimic Arpechim Piteşti, de sondele de extracţie a ţişeiulu şi gazelor şi de reţeaua Peco, în ceea ce urma să devină Societatea Naţională a Petrolului Petrom SA. În 1994, Petrom, în structura de atunci, a fost privatizată cu grupul austriac OMV, după ce compania, puternic căpuşată, înregistra pierderi an de an.
Strategia OMV a fost diferită. În locul tradingului şi a importurilor de ţiţei, a preferat să se axeze pe producţia locală de hidrocarburi. De aceea, o decizie strategică, îndelung contestată, a fost închiderea celei de-a doua rafinării, Arpechim Piteşti, cu instalaţiile petrochimice aferente, care funcţiona mai mult cu ţiţei din import. Oficialii OMV au spus că rafinăria nu mai era rentabilă, fiind mică şi departe de mare.
Investiţiile în sectorul de rafinare s-au canalizat spre Petrobrazi. Procesul a fost continuu, dar în 2008 OMV a anunţat un amplu program, în valoare de 600 de milioane de euro, pentru perioada 2010-2014. Principalul obiectiv al procesului de modernizare a fost creșterea competitivității, au spus austriecii. Au fost upgradate toate instalaţiile mari, au fost puse în funcţiune altele, consumul de energie a fost redus cu un sfert, iar structura mixului de produse a fost modificată, pentru a se adapta pieţei: a fost crescută producţia de motorină. Capacitatea rafinăriei a fost redusă, până 4,2 milioane de tone pe an, pentru a se asigura procesarea ţiţeiului extras din România.
Ca urmare a modernizării, rafinăria a ajuns la un indice Nelson de 11,28, devenind astfel cea mai performantă unitate de rafinare din România. Indicele Nelson este un indicator folosit În industria de rafinare pentru a măsura complexitatea instalaţiilor dintr-o rafinărie.