1970년대 후반 외국 주요 석유 및 석유화학 기업들의 기술 보호 장벽이 높아지자 1983년대 초 유공은 울산 정유공장 내에 기술지원연구소 설립을 계획하였다. 기술지원연구소의 설립 목적은 석유 및 석유화학 제품의 고객 대상 기술 지원, 제품의 경쟁력 제고, 공장 생산성 향상 등이었다.
1985년 3월에 착공해 100억 원이 투입된 기술지원연구소는 1985년 11월에 준공되었다. 85억 원의 예산으로 300여 종의 연구 장비를 도입하여 연구 사업을 수행하였다. 1980년대 유공의 기술개발 업무를 총괄하는 부문장을 중심으로 본사에 3개 부서를 두고, 전문 연구 조직으로 울산의 기술지원연구소, 인천 고분자연구소, 미국 뉴저지주의 연구개발센터를 갖추었다.
울산의 기술지원연구소, 인천고분자연구소, 미국 뉴저지주의 연구개발센터, SKC중앙연구소, 선경건설연구소 등 계열사별로 수행되고 있던 연구개발 활동을 통합하고자 1995년까지 대덕에 종합연구단지 건설을 진행하였다. 연구동 3개동, 실험동 4개동 등 총 14개동을 완공하고 1995년 5월 준공식과 함께 명칭을 대덕기술원으로 변경하였다. 이후 연구개발 인력을 대폭 증원하고 종합적인 연구 체계를 구축하며 기존 석유화학에 그치지 않고 배터리, 신약 등으로 연구개발 분야를 확장하였다.
1980년대 출범한 울산의 기술지원연구소는 신형 축전지 개발, 니켈 · 카드뮴 및 연료전지 사업 타당성 조사 등과 같은 배터리 시스템 개발에 착수하였다. 신형 축전지 위탁 연구, 첨단 배터리 기술동향 조사, 연료전지 사업개발 타당성 조사 등을 수행하며 사업 착수 기회를 탐색하다가 1991년부터 본격적인 전기차용 배터리 개발에 나섰다. 1990년대 후반 미국 캘리포니아주를 비롯한 지역에서 무공해 자동차의 일정 비율 판매를 의무화한 법안들의 발효가 예고되면서 미국, 일본, 독일 등의 자동차 제조사들이 전기자동차를 위한 고성능 전지 개발에 나섰고, 한국 정부도 이에 대비하고자 연구개발 정책을 시행하였다. 과학기술처는 기술 선진 7개국 진입을 목표로 내건 선도기술개발사업(G7 프로젝트)에서 전기차 배터리 개발 과제를 포함하고, 유공을 나트륨 · 유황 전지 개발 주관 기관으로 선정하였다. 이 사업에서 유공은 나트륨 · 유황 전지와 모터를 장착한 5인승 자동차의 시험 주행에 성공하였다.
미 뉴저지주의 연구개발센터와 대덕기술원은 이후 신약 개발의 초석을 다졌다. 뉴저지 연구개발센터는 1993년 중추 신경계 신약 개발 연구계획을 수립하고 이후에 간질 치료제, 우울증 치료제 등 중추 신경계 질환 약물의 개발에 집중하였다. 미국 제약사에서 신약 개발 경험이 있는 한국인 제약 전문가들을 뉴저지 법인으로 불러들이고, 이들과 한국 연구진들이 공동 작업을 수행하였다. 1997년 유공은 사명을 SK주식회사로 변경하고 뉴저지 연구개발센터를 의약개발센터와 뉴저지연구소로 분리하였다. 의약개발센터는 신약 치료지의 국내외 특허 출원, 미국내 임상 실험, 생산, 판매를 담당하였고, 뉴저지연구소는 의약 중간체 개발을 맡았다.