1954年4月，在广州石牌创立华南工学院（现华南理工大学）附设工农速成中学。
1956年1月14日，改为石油工业部广州石油学校（石油中等专业学校），直属石油工业部领导。
1956年7月，改为石油工业部广州第一石油学校。
1957年2月，第一石油学校与第二石油学校合并恢复“石油工业部广州石油学校”。
1958年8月，更名“广东省石油学校”，改由广东省重工业厅领导。调整专业，设石油及天然气工学、人造石油工学、石油炼厂机械与设备三个专业，四年制，1958年秋招生494人。
1960年6月，学校升格为本科层次，校名“华南石油学院”，设大学部和中专部，直属石油工业部领导。
1960年11月，更名“广州石油学院”。同年，开办了石油炼制等4个五年制本科专业。
1961年11月，校名改为“中南石油学院”。
1963年7月，石油工业部发文撤销中南石油学院，恢复“石油工业部广州石油学校”（直属石油工业部领导），同时决定大学部学生全部转学：石油炼制和炼厂机械两个专业的学生转入西安石油学院，石油地质和石油钻井两个专业的学生转入西南石油学院。中专部保留4个专业，800人规模[5]。
1965年9月，学校迁往茂名市，更名“广东石油学校”。（1965年上半年，根据广东省人民政府和石油工业部的决定，学校搬迁到茂名市。当年8月25日正式挂牌。9月11日，按石油工业部文件意见，校名改为“石油工业部广东石油学校”，仍直属石油工业部领导。
1975年1月，根据石油工业部和广东省的意见，校名改为“广东石油化工学校”，改属广东省石油化工局领导。
1978年秋，经广东省和石油部批准，学校开办了石油炼制等2个本科专业。
1979年7月，根据石油工业部和广东省的意见，校名再次改为“广东石油学校”，实行部、省双重领导，以部为主的管理体制，面向全国招生和毕业分配。
1980年，学校被教育部确定为国家级重点中等专业学校。
1985年4月起，学校改属中国石油化工总公司，11月经中石化总公司批准并报国家教委备案，学校在保留中专（广东石油学校）的基础上，创办“广东石油化工高等专科学校”，实行“两所学校一套人马”的管理体制。1985年4月首次举办了一期初中校长短训班后，1985年秋季正式招收全日制专科生和函授专科生，开设政史、中文、文秘、数学4个专业。
1986年秋起，根据广东省教育厅的安排，面向全国招收大专生（普通师范专科生）。
1987年，根据广东省高等教育局的安排，设立“茂名师范大专班”。
1991年上半年，开始正式举办中学校长和在职中学教师岗位培训。
1991年起，学校先后与华东化工学院、华南理工大学、佛山科学技术学院、广东工业大学、湛江师范学院、湛江海洋大学等本科院校联合办学，举办了多个专业的本科班，拓宽了办学门路，锻炼了师资队伍。
1992年，更名“广东石油化工高等专科学校”。学校根据自身的专业特点，创办有特色的各种计划外教学班、培训班、自学考试辅导班，积极开展了小教大专自学考试和高师专科自学考试的助学工作，与茂名市“自考办”和各县（市、区）教师进修学校合作，开设了中文、政治、数学、英语和小教大专文科、理科等6个专业的自学考试辅导班，招收辅导学员1700多人。此外，还和广东教育学院合作，举办了高师本科自学考试辅导班，开设中文、政治、数学3个专业，招收学员460人。
1994年，学校与广东教育学院联合招收全日制中文本科班和英语本科班各1个班，招生90人，全校全日制在校生达到1400多人。
1995年以后，学校办学条件日趋完善，设有政史、中文、英语、数学、计算机学、物理、生化、地理等8个系13个专业和1个德育教研室、1个教育科学研究室、1个大专函授部。
1998年1月，学校由中国石油化工总公司所属划转为广东省所属，实行省市共建以省为主的体制。
1999年5月，广东省高等教育局组织专家组对广东石油化工高等专科学校、茂名教育学院、茂名石油化工公司职工大学合并组建本科层次的茂名学院进行了认真论证，一致同意学校合并组建本科层次的茂名学院。11月，教育部专家组来校考察，对“三校”合并升本筹备工作给予了充分的肯定。截至1999年，学校已培养出全日制专科毕业生6386人，函授专科毕业生1875人，广播英语师范专科毕业生187人，中等师范毕业生1448人；培训了各类别各层次教师、干部和专业技术人员等共7449人，辅导助学人员累计16200多人次。
2000年3月，广东石油化工高等专科学校和广东茂名教育学院、茂名石油化工公司职工大学合并升格为广东省属本科院校--茂名学院，实行省市共建、以省为主的管理体制。
2010年5月，学校更名为现“广东石油化工学院”。
2011年，学校被教育部列为"卓越工程师教育培养计划"试点高校。
2013年，广东省人民政府与中国石油化工集团公司、中国石油天然气集团公司、中国海洋石油总公司签署共建我校协议。
2016年2月29日，广东省人民政府批复同意以广东石油化工学院高州师范学院为基础设立广东茂名幼儿师范专科学校。8月，学校入选数据中国“百校工程”产教融合试点院校。10月，学校进入首批广东省普通本科转型试点高校。12月20日，广东省教育厅与茂名市签署省市共建学校的协议，入选教育部中美应用技术教育“双百计划”首批试点院校名单。
2017年11月，广东省教育厅与茂名市政府支持广东石油化工学院创建高水平理工科大学。根据协议，广东石油化工学院2018-2022年将获得茂名市政府投入资金28亿元，其中18亿元用于西城校区建设。省财政安排专项补助经费2.5亿元，共计30.5亿元。
