대한석유공사로 발족하였으며, 1964년 4월 일당 3만 5000배럴의 정유공장을 가동하게 되었고, 1967년 5월에는 5만 5000배럴로 공장규모를 확장하였다.
1968년 4월 제2상압증류시설을 가동하였고, 12월에는 윤활유배합공장을 가동하였다. 1970년 5월 방향족추출공장을 가동하였으며, 6월에는 걸프사(Gulf社)의 주식 50%를 인수하고 민족자본을 중심으로 주식회사 형태로 전환하여 경영하게 되었다.
1976년 7월 주식의 일부를 공개하였으며, 1980년 12월에는 정부의 민영화방침에 따라 선경그룹에서 주식 50%와 경영권을 인수하였고, 1982년 7월에는 상호를 주식회사 유공으로 변경하였다.
1984년 4월 기술지원연구소를 설립하였고, 10월에는 대한석유지주주식회사와 합병계약을 체결하였으며, 11월에는 주식을 상장하여 기업을 전부 공개하였다. 1985년 5월 대한석유지주주식회사를 흡수 · 합병하였고, 1986년 7월에는 해외전환사채를 발행하였다.
1987년 5월 그리스 제조시설(연산 3,000톤), 1989년 10월 고분자 기술연구소, 1989년 12월 제2에틸렌 제조시설을 완공(연산 40만 톤)하였으며, 1994년 6월 한국이동통신㈜ 주식 20.2% 및 경영권을 인수하였고, 12월 대덕기술원을 완공하였다.
1995년 10월 윤활기유 공장을 가동(일산 3,500배럴)하였고, 1996년 7월 페루 8광구 개발원유사업 생산을 개시하였다. 1996년 10월 제5 상압증류시설을 가동하고, 제5 등 · 경유 수첨 및 탈황 시설을 가동하였다.
2007년 7월 1일 SK그룹의 지주회사로 SK주식회사가 출범함으로써 기존에 석유사업을 담당하던 SK㈜가 사업회사 SK에너지㈜로 사명을 변경하였다. 2011년 1월 SK에너지㈜가 SK그룹의 중간 지주회사인 SK이노베이션㈜에 통할되어 하부 사업회사로 운영되고 있다.
SK에너지는 울산컴플렉스(일일 정제능력: 84만 배럴)와 인천컴플렉스(일일정제능력: 27만 배럴)로 구성된 공장을 두고 있었으며, 이 중 SK에너지 인천컴플렉스를 인적분할하여 2013년 7월 SK인천석유화학㈜으로 출범시켰다.
주요 사업은 석유 · 석탄 · 천연가스를 포함한 에너지 및 화학제품 기타 부산물의 원료의 수입 · 제조 · 수송 · 판매 · 수출, 국내외 자원의 탐사, 채취와 그 개발사업에의 참여 및 기술용역 업무의 수행 등이다. 주요 제품과 구성비율은 석유 74%, 화학 19%, 윤활유 5% 등이다.
관계회사로는 흥국상사 · 유공가스 · 청주도시가스 · 구미도시가스 · 포항도시가스 등이 있다.
2015년 현재 총자산은 14조 4741억 원, 자본금은 4685억 원, 연간 매출액은 1조 6672억 원이다. 본사는 서울특별시 종로구 서린동에 있다.