Tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí đang là lĩnh vực cốt lõi của Petrovietnam được triển khai rộng rãi không chỉ ở Việt Nam mà còn tại nhiều nước trên thế giới. Nhờ các hoạt động tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí hiệu quả mà Petrovietnam triển khai, Việt Nam từ một quốc gia hoàn toàn không có công nghiệp dầu khí đã trở thành nước có trữ lượng dầu mỏ đứng thứ 2 Đông Nam Á, thứ 28 thế giới, có khả năng làm chủ được tất cả các công nghệ tiên tiến nhất. 
Đầu năm 2020, Petrovietnam đã phát hiện trữ lượng khí lớn nhất từ trước tới nay tại Việt Nam ở mỏ khí Kèn Bầu, tại lô 144, cách bờ biển tỉnh Thừa Thiên Huế hơn 6 hải lý, góp phần tăng thêm khoảng 28-36% tổng trữ lượng khí đốt, và 9.0% đến 11.36% trữ lượng dầu mỏ quốc gia. Đây được coi là một phát hiện quan trọng của Tập đoàn Dầu khí Việt Nam.