Petrolia ble stiftet 17. mars 1997 og kjøpte like etter den halvt nedsenkbare boreriggen SS «Petrolia» samt 20% av «Deep Sea Bergen». Selskapet ble notert på Oslo Børs den 12. mai 1997. I september 1997 inngikk selskapet et 10-årig certeparti med det russiske selskapet Arktikmorneftegazrazvedka («Arktik») om leie av boreskipet DS «Valentin Shashin». I 2000 oppsto en tvist mellom partene, der Arktik krevde skipet tilbakelevert. Petrolia Drilling tapte saken i 2005, men dannet samme år et joint venture med selskapet Sinvest ASA: Venture Drilling AS, og inngikk en ny leieavtale med Arktik. Mellom 2005 til 2008 kjøpte Petrolia andeler i riggselskapene PetroMENA ASA (51,5%) og Petrojack ASA (39,9%), og i 2007 ble SS «Petrolia» solgt til PetroMENA ltd. I 2007 kjøpte Petrolia oljeserviceselskapet Independent Oil Tools AS (IOT) som bl.a. hadde virksomhet i Australia og Nederland. PetroMENA ASA gikk konkurs i 2009 og Petrojack ASA gikk konkurs i 2010. Selskapet skiftet i 2010 navn fra Petrolia Drilling ASA til Petrolia ASA og i 2012 ble dagens Petrolia SE etablert gjennom en fusjon. I 2011 ble Petrolia NOCO AS (tidligere Petrolia Norway AS) etablert for å drive med letevirksomhet.