Hiệu quả kinh tế của Nhà máy lọc dầu Dung Quất đến nay vẫn còn là một đề tài bàn cãi, bởi nhà nước phải bỏ tiền ra để gián tiếp trợ giá cho các sản phẩm từ nhà máy.[10] Theo tính toán của Petrovietnam vào năm 2015 thì nếu giá dầu ở mức 60 đô-la/thùng, thì chỉ riêng năm 2015, nhà nước phải bỏ ra 1.065,7 tỉ đồng và giai đoạn 2016-2018, mỗi năm phải bỏ ra 3.011 tỉ đồng để bù cho Nhà máy lọc dầu Dung Quất.[10] Đầu năm 2016 với việc thuế nhập khẩu xăng từ các nước trong khu vực ASEAN giảm từ 20% về 10%  và thuế nhập khẩu diesel giảm về 0%, Petrovietnam tuyên bố sẽ phải cắt giảm sản lượng, thậm chí tạm đóng cửa Nhà máy lọc dầu Dung Quất nếu như không được hạ mức thuế.[11] Tính chung từ khi nhà máy hoạt động vào năm 2010 đến năm 2014, nhà máy đã lỗ trên 1.000 tỉ đồng. Tuy nhiên nếu không tính phần nhà nước trợ giá trợ giá bằng thuế số tiền lỗ trong thời gian này sẽ phải lên tới 27.600 tỉ đồng (tức khoảng 1,2 tỷ USD).[12][13] Theo dự tính ban đầu, việc trợ giá này sẽ kéo dài tới năm 2018, nhưng vào tháng 6/2015, PetroVietnam tiếp tục kiến nghị lên Chính phủ cho gia hạn những ưu đãi trên đến năm 2027.[13]

Ngoài ra nhà máy lọc dầu Dung Quất còn được hưởng thuế thu nhập doanh nghiệp chỉ 10% trong vòng 30 năm, trong đó miễn thuế hoàn toàn trong vòng 5 năm đầu, giảm 50% thuế trong 9 năm tiếp theo.[13]

Việc nhà máy vận hành trễ hơn sơ với dự kiến ban đầu đến 9 năm, cũng làm cho các Báo cáo nghiên cứu khả thi của dự án đã không còn chính xác và các biến động thị trường khiến nó càng xa những tính toán ban đầu hơn.[12]

Sau 7 năm đi vào vận hành thương mại, đến hết quý 2/2017, nhà máy đạt tổng doanh thu trên 37 tỷ USD, lợi nhuận gần 14.000 tỷ đồng và nộp ngân sách trên 7 tỷ USD, gấp đôi tổng mức đầu tư nhà máy[14]