Работы русских учёных Н. Д. Зелинского, Л. Г. Гурвича, С. В. Лебедева, Г. Г. Густавсона и других заложили основы химического направления в переработке нефти.
Следующий шаг на этом пути сделали инженер-механик Владимир Шухов и химик Феликс Инчик. В своей установке изобретатели соединили перегонный куб с ректификационной колонной, имевшей девять тарелок для отбора различных по удельному весу дистиллятов. Однако сложность конструкции и дороговизна изготовления послужили препятствием для широкого внедрения установки, основные научные и технические принципы которой впоследствии нашли воплощение при аппаратном оформлении атмосферно-вакуумных и крекинговых установок.
Настоящей прорыв в 1883 году совершили инженеры ведущей российской нефтяной компании «Товарищество нефтяного производства братьев Нобель» во главе с Людвигом Нобелем. Их изобретение «куба усовершенствованной системы для дробной и непрерывной перегонки нефти» стало революционным. В многокубовой установке была конструктивно оформлена идея обеспечения непрерывного перетока нефти из одного куба в другой, чтобы при поддерживании в них различной температуры добиться последовательного отгона дистиллятов разного удельного веса. Достаточно быстро кубовая нобелевская батарея, устранившая полностью все недостатки кубов периодического действия, получила широкое распространение не только в России, но и в Западной Европе, и в США.
На рубеже веков на долю России приходилось более 30 % мировой нефтедобычи. Компания «Шелл Транспорт и Трейдинг», которая позже стала частью «Роял Датч/Шелл», начала свой бизнес с перевозок нефти, добываемой Ротшильдами на Каспии, в Западную Европу. Но из-за использования постепенно устаревающих технологий нефтедобычи и отсутствия капитальных инвестиций в новые технологии за период с 1904 по 1913 год российская доля в мировом экспорте нефти сократилась с 31 до 9 %.
В 1901–1913 годах страна добывала приблизительно 11 млн тонн нефти. Сильный спад произошел во время Гражданской войны. В 1918 году Советская Россия национализировала частные нефтяные компании. К 1928 году добыча нефти была снова доведена до 11,6 млн тонн.
За время Гражданской войны технологически страна очень отстала. Когда начали восстанавливать народное хозяйство, то пришлось ушедшие далеко вперед технологии и оборудование закупать за рубежом, в первую очередь в США.
Первая в СССР трубчатая установка компании «Гревер Корпорейшн» мощностью 450 тыс. тонн сырья в год была введена в эксплуатацию в 1929 году. Всего в 1929–1932 годах в СССР построили 26 американских трубчатых установок. С 1925 года закупались за рубежом и крекинг-установки. В целом за годы первой пятилетки мощность нефтеперерабатывающих заводов страны увеличилась в 1,83 раза.
В предвоенные годы сложность состояла в том, что постоянно увеличивалась доля тяжёлой нефти в добыче. В 1937 году она уже составляла 53,4 %. Возникла необходимость на собственной базе разработать оборудование, способное компенсировать снижение потенциала светлых продуктов за счет более совершенной и глубокой переработки сырья. В 1934 году специалисты института «Нефтепроект» спроектировали мощную нефтеперегонную установку с предварительным испарением бензиновых фракций производительностью 3 тысячи тонн в сутки и извлечением светлых нефтепродуктов не менее 93 % от потенциала. Следующим достижением инженеров «Нефтепроекта» стала двухпечная крекинг-установка, которая могла использовать любой сорт мазута без добавления соляровых фракций, раздельно крекировать лёгкое и тяжёлое сырьё, а также оснащалась оборудованием для очистки бензина. Её производительность была на 48 % выше показателя американской установки фирмы «Винклер-Кох», а по глубине отбора превосходила аналог на 45 %.
В годы Великой Отечественной войны главной задачей было обеспечение фронта топливом и смазочными материалами. В тот период в стране стали строиться первые опытные установки каталитического крекинга со стационарным слоем катализатора и реакторами периодического действия.
В первые годы Советской власти основными районами нефтедобычи были Бакинский и Северного Кавказа (Грозный, Майкоп). Закавказье и Северный Кавказ давали в 1940 году около 87 % нефти Советского Союза. Но вскоре их стало не хватать, потребовалась нефтеразведка. Были открыты и введены в строй месторождения Пермской и Куйбышевской областей, Башкирии, создана Волго-Уральская база. Обнаружены новые месторождения в Средней Азии, Казахстане, добыча нефти достигла 31,1 млн тонн.