OD ble opprettet samtidig med Statoil (nå Equinor). Fredrik Hagemann var direktør fra oppstarten fram til 1997. Direktoratet hadde tidligere en kombinert rolle som tilrettelegger for ressursforvaltningen og kontrollør i forbindelse med arbeidsmiljø og sikkerhet (HMS) på norsk kontinentalsokkel. Fra 2004 ble arbeidsmiljø og sikkerhets-funksjonene skilt ut og det nye Petroleumstilsynet (Havindustritilsynet siden 1. januar 2024) opprettet. Gunnar Berge satt i stillingen som oljedirektør fra 1997 til 2007.