学校坚持把科学研究作为强校之路，按照“搭建大平台、承担大项目、凝聚大团队、取得大成果、做出大贡献”的思路，不断提高科技创新能力和综合科研水平。现有2个国家重点实验室、6个国家级科研创新平台分室以及20个省部级各类科研创新平台和17个中国石油天然气集团公司重点实验室分室。石油石化学科研究领域优势突出，在多个研究领域居国内领先水平，在非常规油气、新能源等新兴研究领域发展迅速。“十一五”以来，学校共承担国家级科研项目600余项，获国家级三大科技奖共36项、省部级科技进步奖307项。“十二五”期间，学校获得国家科技奖20项，其中作为第一完成单位的有3项；获得省部级及社会力量科技奖共240项，其中作为第一完成单位的有122项。国家级奖励数在、2016年全国高校通用项目中均排名第10。

学校坚持走“政产学研”相结合的办学道路。2013年10月，教育部与五大石油公司签署了共建石油大学的协议。学校先后与116个省市区政府、企事业单位签订了全面合作协议，特别是探索建立了产学研联合培养人才的新机制、新模式。现有近60家石油石化企业在校设置企业奖助学金；13家石油石化企业在校建立了育才厅；与25家石油石化单位签署了“订单式”本科生联合培养协议；与40家企业博士后科研工作站联合招收博士后；在130家石油石化企业设立了研究生工作站或联合培养基地；在100家企业建立了学生实习基地；在67家石油石化企业建立了社会实践基地。积极探索政产学研协同育人机制。学校与克拉玛依市联合建立克拉玛依工程师学院，与三大石油公司在京研究院联合建立北京工程师学院，着力实施本科卓越计划和专业学位研究生培养，在高等工程教育领域迈出了新步伐。

学校重视国际交流与合作，通过实施国际化战略，国际交流与合作领域和范围不断拓宽，国际影响不断扩大。学校与美国、法国、英国、加拿大、日本等发达国家的85所高校和多家公司建立起了多层次、多领域、多渠道的交流合作关系。与国外大学或公司联合建设了11个国际联合研究机构；与厄瓜多尔基多圣弗朗西斯科大学联合建立了孔子学院；平均每年举办或参与近十场国际性学术会议。