בתחילה שונע הנפט בחביות עץ בנפח של 40 גלון (כ-150 ליטר). אולם לשינוע נפט בחביות עץ מספר חסרונות בולטים, בהם משקל החבית. משקלה של חבית ריקה היה כ-29 ק"ג, כ-20% מהמשקל הכולל של חבית מלאה. חסרונות נוספים היו עלותן הגבוהה של החביות, נטייתן לדלוף, והעובדה שהחביות היו ברובן לשימוש חד-פעמי. עלותן של חביות הנפט הייתה כה גבוהה בימיה הראשונים של תעשיית הנפט, עד כי, לדוגמה ברוסיה, הגיעה עלות החביות לכדי מחצית מעלות הפקת הנפט בתחילת ימיה של תעשיית הנפט הרוסית.
נעשו מספר ניסיונות להעברת נפט בתפזורת. צינורות הנפט הראשונים החלו לפעול כבר בשנת 1860. בשנת 1863 נבנו שתי מכליות נפט, שהיו אוניות מפרש, במספנה של נהר טיין באנגליה. בשנת 1873 נבנתה בחברת מספנת פלמר בצפון אנגליה עבור בעלים בלגים מכלית הנפט הראשונה שהייתה אוניית קיטור בשם ודרלנד (Vaderland). פעילות אונייה זו נתקלה בקשיים לאחר ששלטונות ארצות הברית ובלגיה העלו חששות מהיבטים בטיחותיים בהפעלתה. השימוש בחביות נפט בשדות הנפט בפנסילבניה צומצמה בשנות ה-70 של המאה ה-19, לאחר שנבנו קרונות מכל ונסללו מסילות רכבת לשינוע הנפט.
האחים נובל.
בשנת 1876 הקימו שניים מאחיו של אלפרד נובל, לודוויג ורוברט נובל, את חברת ברנובל (Branobel) באימפריה הרוסית. החברה פעלה בעיקר באזור העשיר בנפט סמוך לבאקו (היום באזרבייג'ן). בשלהי המאה ה-19 הייתה ברנובל אחת מחברות הנפט הגדולות בעולם.
לודוויג נובל היה בין החלוצים בפיתוח מכליות הנפט הראשונות. תחילה ערך ניסויים בשינוע נפט בדוברות בעלות ספנה אחת, ואחר כך החל לפתח מכליות בעלות הנעה עצמית. אחת הדאגות העיקריות הייתה יצירת הפרדה בין הנפט ואדי הדלק לבין חדר המכונות, כדי למנוע שריפות. בעת פיתוח המכליות היה צורך להתמודד לראשונה אף עם שינויי נפח הנפט בטמפרטורות שונות והצורך לדאוג לאוורור מתאים של המכלים. המכלית המוצלחת הראשונה שפיתח, יחד עם מתכנן שוודי, נקראה זורואסטר (Zoroaster) ונבנתה בגטבורג. בינואר 1878 נחתם החוזה לבנייתה וכבר באותה שנה שטה לראשונה בין באקו לאסטרחן. הדגם על פיו נבנתה זורואסטר נלמד על ידי בוני אוניות אחרים והועתק פעמים רבות, לאחר שנובל סירב לרשום פטנט על היבט כלשהו בעיצובה. באוקטובר 1878 הוא הזמין עוד שתי מכליות מאותו דגם: בודהה (Buddha) ונורדנסקולד (Nordenskjöld).
זורואסטר יכלה לשאת 242 טונות ארוכות של קרוסין בשני מכלי ברזל מחוברים בצנרת. מכל אחד היה בקדמת הספינה, אשר מנועה מוקם באמצע, ומכל שני בירכתי הספינה. בספינה היו גם 21 תאים אנכיים ריקים ואטומים לשיפור הציפה. האונייה הייתה באורך כולל של 56 מטר, ברוחב 8.2 מטר ובשוקע של 2.7 מטר. בניגוד למכליות מאוחרות יותר של נובל, זורואסטר תוכננה כך שמידותיה יתאימו לשיט משוודיה לים הכספי דרך הים הבלטי, ימת לדוגה, ימת אונגה, תעלת מרינסק (היום חלק מנתיב המים וולגה-בלטי) והנהר וולגה.
לאחר דגמי המכליות הראשונים אימץ נובל את המכליות בעלת גוף אחוד (single hull), שבה מכל הנפט מהווה למעשה חלק מגוף האונייה. בנובמבר 1880 הוא הזמין את המכלית הראשונה בעלת גוף אחוד, מוזס (Moses). בתוך שנה הזמין בנייתן של שבע מכליות נוספות בדגם של גוף אחוד. חברת ברנובל הייתה אחת מחברות הנפט הראשונות שחוותה אסון מכלית נפט. בשנת 1881 התפוצצה נורדנסקולד בבאקו בעודה מטעינה קרוסין. הצינור דרכו הוטענה המכלית יצא ממקומו לאחר שהאונייה זזה במשב רוח פתאומי. הקרוסין שנשפך על הסיפון ולתוך חדר המנוע, שם עבדו המכונאים עם תאורת נורות קרוסין גרם להתפוצצות האונייה ומחצית מאנשי צוותה נהרגו. לאחר האסון יצר נובל צינור טעינה גמיש ועמיד לדליפות שהיה בטיחותי יותר.
בשנת 1883 הושגה התקדמות משמעותית בעיצוב מכליות נפט. קולונל הנרי פ. סוואן, אשר עבד עבור ברנובל, תכנן שלוש מכליות חדשות. במקום מכל גדול בודד, או שני מכלים גדולים, על פי תכנונו של סוואן חולק גוף האונייה במחיצות לרוחבה, וכל חלל בין המחיצות חולק במחיצה נוספת במקביל לשדרית האונייה, מכל ימני ומכל שמאלי. דגמים מוקדמים של מכליות נפט סבלו מקשיי יציבות בגלל תנועת הנפט הנוזלי שבמכלית בעת השיט. חלוקת המכלית למכלים קטנים יותר פתרה בעיה זו. גישה זו בעיצוב מכליות נהוגה עד היום כמעט בכל מכלית נפט.
בשנת 1903 בנו האחים נובל שתי מכליות שהונעו במנוע בערה פנימית, במקום במנוע הקיטור שהיה בשימוש עד אותה עת. המכלית ואנדל (Vandal) הונעה בשלושה מנועי דיזל של 120 כ"ס האחד, ונשאה 750 טונות ארוכות של נפט מזוקק. אחריה נבנו מכליות עם מנועי דיזל חזקים יותר.
המכלית גלוקאוף (Glückauf), אשר אף היא עוצבה על ידי הקולונל סוואן, צוידה לראשונה בשסתומי צנרת על הסיפון, צנרת עצמאית של האונייה, קווים לניקוז אדים, שוליים למניעת דליפות והיכולת למלא מכל זבורית במי-ים כאשר היא ריקה ממטען. הגלוקאוף ומכליות מאותו דגם נרכשו על ידי חברת סטנדרט אויל (Standard Oil) האמריקאית.
שבירת המונופול של חברת סטנדרט אויל.
עד לשנות ה-80 של המאה ה-19 שלטה חברת סטנדרט אויל האמריקאית בשוק הנפט העולמי, להוציא את רוסיה. סטנדרט אויל באמצעות אוניותיה ייצאה קרוסין מארצות הברית לאירופה ולאסיה. בשנות ה-80 של המאה ה-19 החל המסחר בנפט באסיה ובשנת 1883 הושלמה מסילת רכבת, במימון משפחת רוטשילד, משדות הנפט הסמוכים לעיר באקו ועד לבתומי לחוף הים השחור, אולם משם התקשו לשווק את הנפט בעולם בגלל שליטתה הכמעט מוחלטת של סטנדרט אויל במכליות הנפט. משפחת רוטשילד יצרה קשר עם היבואן הבריטי מרקוס סמואל. הרעיון לשינוע הנפט הרוסי למזרח הרחוק דרך תעלת סואץ נולד במוחם של שניים: היבואן מרקוס סמואל ובעל האוניות פרד ליין. ניסיונות מוקדמים יותר להעביר נפט במכליות בתעלת סואץ נתקלו בהתנגדות של חברת תעלת סואץ בטענה שהדבר מסוכן מדי. סמואל פנה לפתרון הבעיה בדרך שונה, הוא ביקש מחברת תעלת סואץ מפרט למכלית נפט אשר לה יינתן אישור לעבור בתעלה. לאחר שבידו המפרט הדרוש למכלית, הוא הזמין שלוש מכליות בהתאם למפרט ממספנת ויליאם גריי בצפון אנגליה. כל אחת מן המכליות הייתה במעמס של 5,010 טון והיוו את שלוש האוניות הראשונות של סינדיקט הטנק (Tank Syndicate), גילגולה הראשון של חברת הענק רויאל דאטש של.
בזכות העובדה שאוניות חברת של לא היו צריכות להקיף את יבשת אפריקה בדרכן למזרח אסיה, הן קנו יתרון מיידי על סטנדרט אויל. החברה הקימה מתקני נפט בג'קרטה, סינגפור, בנגקוק, סייגון, הונג קונג, שאנגחאי וקובה והפכה למתחרה הראשונה של סטנדרט אויל בשוק הנפט באסיה. ב-24 באוגוסט 1892 הייתה המכלית מורקס (Murex) למכלית הנפט הראשונה שחצתה את תעלת סואץ. בשנת 1907, בעת שהתאחדה חברת של עם חברת הנפט המלכותית ההולנדית, היו לה 34 מכליות נפט עם מנועי קיטור, בהשוואה לארבע מכליות קיטור ו-16 מכליות מפרש של סטנדרט אויל.
מלחמת העולם הראשונה.
מכלית הנפט של הצי האמריקני מאיומי (USS Maumee), אשר הושקה ב-17 באפריל 1915, פתחה עידן של תדלוק תוך כדי שיט. בעת שנבנתה הייתה זו מכלית גדולה במעמס של 14,500 טון ותדלקה משחתות של הצי בדרכן לבריטניה עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה. הטכניקה של תדלוק תוך כדי שיט איפשרה לצי האמריקני להותיר אוניות קרב בלב ים לתקופה ארוכה, להגדיל את טווח השיוט מנמל ידידותי. יכולת תדלוק זו הייתה מכרעת לניצחון הימי במלחמת העולם השנייה באוניות עליהן פיקד אדמירל נימיץ, זאת לאחר ששימש קצין זוטר על המאיומי עוד בעת בנייתה. טכניקת תדלוק תוך כדי שיט אומצה בתוך שנים ספורות על ידי ציים אחרים.
מדיניות גרמניה בתקופת מלחמת העולם הראשונה להסיר את ההגבלות על כללי מלחמת צוללות גרמו למחסור במכליות נפט, לאחר שהיו לאחת המטרות בים. שגריר ארצות הברית בבריטניה דיווח: "הצוללות מטביעות אוניות משא מהר יותר מקצב בנייתן בכל העולם. במצב דברים זה, גם בעניין זה הגרמנים מצליחים. אם המצב יימשך מספיק זמן, בנות הברית יפסידו. לדוגמה, לאחרונה הם הטביעו כל כך הרבה מכליות נפט, עד שמדינה זו תהיה בקרוב מאוד בסכנה - אפילו הצי הגדול עשוי לסבול ממחסור בדלק."
ז'ורז' קלמנסו כתב לנשיא וודרו וילסון: "הדלק חיוני כמו דם בקרבות הקרובים... כשל באספקת דלק יגרום לשיתוק מיידי של צבאותינו." תגובתו של וילסון לקריאה הייתה נחרצת. סוכנות הספנות של ארצות הברית (United States Shipping Board), אשר הוקמה ב-7 בספטמבר 1916, נטלה פיקוד על כל האוניות בארצות הברית ועל כל המספנות, לצורך זה הוקצה תקציב ענק של 1.3 מיליארד דולר. בפנסילבניה נבנתה המספנה הגדולה בעולם ואוניות רבות נבנו במקום לצורכי המלחמה.
בין השנים 1916 ו-1921 נבנו 316 מכליות נפט עם מעמס כולל של 3.2 מיליון טונות ארוכות, בעוד שבטרם פרוץ מלחמת העולם הראשונה היה המעמס הכולל של המכליות בעולם כולו מעט יותר מ-2 מיליון טון.
מלחמת העולם השנייה ואחריה.
למכליות הנפט, במיוחד למכליות מדגם T2, היה תפקיד מרכזי בהתפתחות מלחמת העולם השנייה. המכלית האמריקאית מדגם T2, במעמס של 16,613 טונות ארוכות, נבנתה בכמויות גדולות וכמעט 500 מכליות מדגם זה שטו במלחמת העולם השנייה. לאחר המלחמה נמכרו רבות מן המכליות כעודפי מלחמה לגורמים מסחריים שונים בעולם והמשיכו לשוט בצי הסוחר במשך שנים ארוכות. מכליות מדגם T2 אף היו האוניות הראשונות שהוסבו לאוניות מכולות.
עד לשנת 1956 תוכננו מכליות הנפט כך שתוכלנה לחצות את תעלת סואץ. מגבלת הגודל של מכליות נפט הפכה פחות נפוצה לאחר סגירתה של התעלה במהלך מלחמת סיני בשנת 1956. משנאלצו סוחרי הנפט לשנע נפט דרך כף התקווה הטובה, הבינו בעלי המכליות כי אוניות גדולות יותר ייעלו את שינוע הנפט.