1955年12月、政府の石油資源開発5カ年計画に基づき、石油資源開発の前身となる特殊会社「石油資源開発株式会社」が東京で設立された。半額以上を政府が出資し（設立時約56%）、国内の石油・天然ガス探鉱開発を国家事業として担う体制が組まれた。戦後復興期の日本はエネルギー資源の8割超を海外原油の輸入に依存する構造にあり、国内資源の自前開発を国策として推進する仕組みが必要とされた。設立された特殊会社は政策遂行のための国家事業会社として位置付けられ、創業時から経営の独立性よりも国策遂行能力が事業特性を規定した。半額政府出資という資本構造は、その後70年に及ぶ官民の役割分担の出発点となった。

1950年代後半から1960年代にかけて、同社は新潟県・秋田県を中心に国内陸域で油田・ガス田の発見を続けた。1958年3月に見附油田（新潟県）、同年7月に申川油田（秋田県）、1959年6月に東新潟ガス田（新潟県）、1960年12月に片貝ガス田（新潟県）、1968年4月に吉井ガス田（新潟県）が相次いで発見され、国内の在来型炭化水素資源の埋蔵を実証する役割を果たした。発見した油ガス田は商業生産規模が小さく国内のエネルギー需給を一変させる規模には届かなかったが、技術蓄積と探鉱データの面では国内資源開発の中核を担う事業者としての地位を固めた。

特殊会社としての10年強の運営は、国家予算と政府人事に強く規定される事業環境を作った。社長・取締役の人事は通商産業省（現経済産業省）の決定権が強く、事業計画は国の石油資源開発計画と連動した。1962年6月のエスケイ産業設立や1966年2月の北スマトラ海洋石油資源開発（後の石油資源開発インドネシア、現INPEX）への参画は、特殊会社時代に蓄積した技術と人材を周辺事業や海外初期権益へ展開する試行だった。とりわけ北スマトラ海洋は後にINPEXへ発展する事業の起点であり、石油資源開発の海外開発への関与は1960年代半ばから始まっていた事実は記録に値する。

1967年10月、政府は石油開発公団（後の石油公団、現JOGMEC）を新設し、特殊会社「石油資源開発」は解散され、その業務は石油開発公団の事業本部として承継された。発足から約12年の特殊会社は一旦組織形態を解消され、国内資源開発機能は公団傘下の一事業として再配置された。海外石油権益の取得を国家戦略として強化する政策方針のもとで、国内開発と海外権益取得を一体運営する公団体制が選好された結果である。同社の事業は、独立した法人格を持つ事業会社から、公団の事業部門へと格下げされた。発見した油ガス田の規模と生産量から得る収益では事業会社として自立するに足りなかった事業環境を反映する組織選択でもあった。

1970年4月、政府は石油開発公団から国内資源開発事業を再分離し、民間会社「石油資源開発株式会社」として再発足させた。旧特殊会社の政府出資分は石油開発公団が継承し、政府は引き続き間接的に過半を保有する大株主として残った。1967年の公団移管と1970年の民間会社化という3年間の二度の組織形態転換は、国策事業を遂行する組織がどの法人形態で運営されるべきかをめぐる政策の試行錯誤を反映していた。再発足以降、同社は形式上は民間会社として独自の意思決定機関を持ったが、政府保有比率の高さと官僚OB社長の慣行は引き継がれ、実質的な国策会社の性格は維持された。

1970年代から1980年代の同社は、国内油ガス田の探鉱・生産と周辺事業会社の整備を地道に進めた。1971年5月に日本海洋石油資源開発、同年10月にエスケイエンジニアリング、1983年4月に地球科学総合研究所が連結子会社として設立され、海洋開発・エンジニアリング・探鉱技術研究の機能を社内分散する体制が組まれた。1976年6月の由利原油ガス田（秋田県）、1989年3月の勇払油ガス田（北海道）と新たな発見が続いたが、国内油ガス田は規模・生産量とも小規模で、同社の事業基盤を桁違いに拡大する役割は果たさなかった。