Trụ sở của Petrovietnam đặt tại 18 phố Láng Hạ, quận Ba Đình, Hà Nội.Cơ cấu Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam bao gồm Công ty mẹ - Tập đoàn Dầu khí Việt Nam và các đơn vị thành viên.

Công ty mẹ - Tập đoàn Dầu khí Việt Nam

Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam là tổ hợp doanh nghiệp, có tư cách pháp nhân theo luật pháp Việt Nam, bao gồm: Công ty mẹ - Tập đoàn Dầu khí Việt Nam và các đơn vị thành viên, được hình thành trên cơ sở tổ chức lại Tổng Công ty Dầu khí Việt Nam và các đơn vị thành viên theo Quyết định số 198/2006/QĐ-TTg ngày 29 tháng 8 năm 2006 của Thủ tướng Chính phủ.

• Các đơn vị trực thuộc Công ty mẹ

1. Ban QLDA Cụm Khí Điện Đạm Cà Mau
2. Ban QLDA Nhà máy lọc dầu Dung Quất
3. Ban QLDA Công trình liên hợp Lọc hoá Dầu Nghi Sơn
4. Ban QLDA Trường Đại học Dầu khí Việt Nam
5. Ban QLDA Điện lực Dầu khí Long Phú-Sông Hậu
6. Ban QLDA Điện lực Dầu khí Vũng Áng-Quảng Trạch
7. Ban QLDA Khí Đông Nam Bộ
8. Trung tâm Ứng cứu sự cố tràn dầu phía Nam (NASOS)
9. Ban QLDA Đóng mới giàn khoan tự nâng 60M nước
10. Chi nhánh Tập đoàn-Công ty Điều hành Dầu khí Biển Đông (Bien Dong POC)
11. Chi nhánh Tập đoàn-Công ty NK và PP Than DK

Các công ty con

• Các Tổng Công ty/Công ty Tập đoàn nắm 100% vốn

1. Tổng Công ty Thăm dò & Khai thác Dầu khí (PVEP)
2. Tổng công ty Khí Việt Nam (PV GAS)
3. Tổng Công ty Dầu Việt Nam (PV Oil)
4. Tổng Công ty Điện lực Dầu khí Việt Nam (PV Power)
5. Công ty TNHH 1TV Lọc hoá dầu Bình Sơn (BSR)

• Các Tổng công ty/Công ty/Đơn vị Tập đoàn nắm quyền chi phối

1. Tổng công ty CP Khoan & Dịch vụ khoan DK (PVDrilling)
2. Tổng công ty CP Dịch vụ Kỹ thuật Dầu khí (PTSC)
3. Tổng công ty CP Vận tải Dầu khí (PV Trans)
4. PVcomBank
5. Tổng công ty CP Bảo hiểm Dầu khí Việt Nam (PVI)
6. Tổng công ty CP Dịch vụ tổng hợp Dầu khí (Petrosetco)
7. Tổng công ty CP Xây lắp Dầu khí (PVC)
8. Tổng công ty CP Phân đạm và Hoá chất dầu khí (PVFCCo)
9. Tổng công ty CP Dung dịch khoan & hoá phẩm Dầu khí (DMC)
10. Tổng công ty Tư vấn thiết kế Dầu khí (PVE)
11. Tổng Công ty Công nghệ Năng lượng Dầu khí Việt Nam (PV EIC)
12. Liên doanh Việt-Nga Vietsovpetro (VSP)
13. Công ty cổ phần Hóa dầu và Xơ sợi tổng hợp Dầu khí (PVTex): Nhà máy Xơ sợi Đình Vũ của PVTex có tổng vốn đầu tư lên tới 325 triệu USD (tương đương gần 7.000 tỷ đồng) nhưng ngay từ khi chạy thử và vận hành vào tháng 5/2014, nhà máy này liên tục đối mặt với việc không bán được hàng, tạm dừng sản xuất. Dự án đã chậm tiến độ tới 2 năm, khi đi vào hoạt động, vận hành khoảng 7 tháng đã lỗ hơn 1.085 tỷ đồng, doanh thu không đủ bù chi phí tối thiểu. PVTex đã dừng vận hành từ 17/9/2015 do khó khăn, đầu năm 2016 PVTex lên kế hoạch hoạt động trở lại trong quý I/2016 tuy nhiên, nhà máy vẫn “nằm bất động”. Báo cáo mới đây của PVTex cho biết, tính đến 30/6 vốn chủ sở hữu của doanh nghiệp này đã âm 823,1 tỷ đồng, lỗ luỹ kế của nhà máy lên đến hơn 3.008 tỷ đồng.[7] Tháng 10 2016, Thanh tra Chính phủ (TTCP) đã phát hiện có dấu hiệu cố ý làm trái và thiếu trách nhiệm trong việc phê duyệt dự án, lựa chọn nhà thầu, ký kết hợp đồng với nhà thầu gây thất thoát, lãng phí vốn đầu tư và đã kiến nghị Bộ Công an tiếp nhận hồ sơ để điều tra, xử lý.[8] Ông Vũ Đình Duy từng giữ chức Tổng giám đốc công ty này từ ngày 15/7/2009 đến tháng 2/2014, hiện đã bỏ trốn không liên lạc được.[9]
14. Công ty Cổ phần Đầu tư Khai thác Cảng Phước An (PAP)

Các công ty liên kết

1. Công ty TNHH Lọc hoá dầu Nghi Sơn
2. Ngân hàng Thương mại Cổ phần Đại Dương (OceanBank)
3. Công ty Hoá dầu Long Sơn

Các Đơn vị nghiên cứu khoa học và đào tạo

1. Viện Dầu khí Việt Nam[10]
2. Trường Đại học Dầu khí Việt Nam (PVU)[11]
3. Trường Cao đẳng nghề Dầu khí (PVMTC)[12]

Các công ty điều hành chung (JOC)