A empresa está em segundo lugar no ranking das maiores petrolíferas de capital aberto do mundo. Em valor de mercado, é a segunda maior empresa do continente americano e a quarta maior do mundo, no ano de 2010.Em Setembro de 2010, passou a ser a segunda maior empresa de energia do mundo, sempre em termos de valor de mercado, segundo dados da Bloomberg e da Agencia Brasil.
Originalmente Petrobrás, o nome da empresa é alterado para Petrobras, apesar da terminação oxítona em 'a', (seguida de 's'), obedecendo a Lei nº 7.565 de que nenhuma sigla é acentuada na língua portuguesa. Em dezembro de 2000 foi anunciada uma alteração: o novo nome fantasia seria Petrobrax, que alegadamente seria mais adequado à pronúncia da língua inglesa, já que a empresa tornava-se importante internacionalmente. Seria também uma maneira de expandir sua operação de varejo na América Latina (postos de gasolina) contornando uma negativa imagem imperialista que o Brasil exerce sobre seus vizinhos. No entanto, houve uma forte rejeição no meio político e entre os funcionários da empresa, bem como entre a população brasileira em geral, pois isso representaria o abandono do sufixo bras (de Brasil). No início de 2001, a diretoria abandonou definitivamente os planos de alterar o nome da empresa.
Em 1997, a marca da Petrobras para uso fora da América do Sul foi modificada. A cor do logotipo Petrobras foi alterada de verde para um azul. Entretanto, devido à continuidade do processo de internacionalização da companhia - particularmente no segmento de Abastecimento -, com a abertura das primeiras estações de serviço na Bolívia, em 2001, novo ajuste foi realizado. Passou-se a utilizar somente o logotipo Petrobras em azul, sem o símbolo BR. Essa opção também foi adotada em todos os países da América Latina em que a empresa atua.
Fundada no dia 3 de outubro de 1953 pelo então presidente Getulio Vargas, com a edição da Lei Nº 2.004, a criação da Petrobras foi formalizada. Suas atividades foram iniciadas com o acervo recebido do antigo Conselho Nacional do Petróleo (CNP), que manteve sua função fiscalizadora sobre o setor.
As operações de exploração e produção de petróleo, bem como as demais atividades ligadas ao setor de petróleo, gás natural e derivados, à exceção da distribuição atacadista e da revenda no varejo pelos postos de abastecimento, foram conduzidas pela Petrobras de 1954 a 1997. Durante esse período, a Petrobras tornou-se líder em comercialização de derivados no país.
Depois de exercer por mais de 40 anos, em regime de monopólio, o trabalho de exploração, produção, refino e transporte do petróleo no Brasil, a Petrobras passou a competir com outras empresas estrangeiras e nacionais em 1997, quando o presidente Fernando Henrique Cardoso sancionou a Lei N° 9.478, de 6 de agosto de 1997. Tal lei regulamentou a redação dada ao artigo 177, §1º da Constituição da República pela Emenda Constitucional nº9 de 1995, permitindo que a União contratasse empresas privadas para exercê-lo.
A partir daí foram criadas a Agência Nacional do Petróleo (ANP), responsável pela regulação, fiscalização e contratação das atividades do setor e o Conselho Nacional de Política Energética, órgão encarregado de formular a política pública de energia.
Em 2003, coincidindo com a comemoração dos seus 50 anos, a Petrobras dobrou a sua produção diária de óleo e gás natural ultrapassando a marca de 2 milhões de barris, no Brasil e no exterior.
No dia 21 de abril de 2006, o Presidente Luiz Inácio Lula da Sila deu início à produção da plataforma P-50, no Campo de Albacora Leste, na Bacia de Campos. Nesta época, após 53 anos de operação e trabalho da empresa, o Brasil chegou a atingir uma temporária auto-suficiência em petróleo (posteriormente perdida devido ao aumento de consumo).
Além das atividades da holding, o Sistema Petrobras inclui subsidiárias - empresas independentes com diretorias próprias, interligadas à sede. Além disso, há o Centro de Pesquisas Leopoldo Américo Miguez de Mello (CENPES), em parceria com a Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), que adquiriu renome internacional nos últimos anos pelas tecnologias que desenvolve.
