Để đáp ứng yêu cầu hoạt động sản xuất kinh doanh trong thời kỳ mới, năm 2003 Công ty Hóa dầu được cổ phần hóa theo Quyết định số 1801/2003/QĐ/BTM ngày 23/12/2003 của Bộ Thương mại là công ty thành viên của Tổng Công ty Xăng dầu Việt Nam. Ngày 31/12/2003 Công ty đã tổ chức Đại hội đồng cổ đông thành lập Công ty CP Hóa dầu Petrolimex và ngày 01/03/2004 Công ty chính thức đi vào hoạt động theo mô hình công ty cổ phần, với số Vốn Điều lệ ban đầu là 150 tỷ đồng, trong đó Tổng công ty xăng dầu Việt Nam nắm giữ cổ phần chi phối với tỷ lệ 85%.

Đại hội đồng cổ đông thường niên năm 2004, ngày 25/04/2005 đã chính thức thông qua đề án “Cấu trúc lại Công ty CP Hóa dầu Petrolimex” hoạt động theo mô hình Công ty mẹ - Công ty con, theo đó Công ty CP Hóa dầu Petrolimex là Công ty mẹ. Công ty mẹ có trụ sở Văn phòng tại Tầng 18, Số 229 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội; có 04 Chi nhánh Hóa dầu (CNHD): CNHD Hải Phòng, CNHD Đà Nẵng, CNHD Sài Gòn và CNHD Cần Thơ; có 02 Nhà máy dầu nhờn (NMDN): NMDN Thượng Lý tại TP Hải Phòng và NMDN Nhà Bè tại TP Hồ Chí Minh; có 01 Kho chứa Dầu mỡ nhờn tại Đức Giang, Long Biên, Hà Nội.

Ngày 27/12/2005, HĐQT Công ty CP Hóa dầu Petrolimex đã quyết định thành lập 02 Công ty con là Công ty TNHH Nhựa đường Petrolimex và Công ty TNHH Hóa chất Petrolimex, với số vốn điều lệ ban đầu của mỗi công ty con là 50 tỷ đồng, do Công ty CP Hóa dầu Petrolimex sở hữu 100% vốn điều lệ. Hai Công ty con chính thức đi vào hoạt động kể từ ngày 01/03/2006.

Ngày 27/12/2006, cổ phiếu của Công ty đã chính thức niêm yết trên TTGDCK Hà Nội, với mã chứng khoán PLC. Trong năm 2007, Công ty đã  thực hiện chào bán cổ phần, tăng Vốn Điều lệ Công ty từ 150 tỷ đồng lên 161,272 tỷ đồng. Qua các năm từ 2008 đến nay, thực hiện các phương án tăng Vốn điều lệ; đến thời điểm 03/04/2013, Vốn điều lệ của Công ty là 602.239.780.000 đồng, trong đó Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam có số vốn góp là 476.302.120.000 đồng, nắm giữ 79,07% tổng số vốn điều lệ; các cổ đông khác chiếm 20,93%.

Ngày 31/05/2011, Thủ Tướng Chính phủ đã có quyết định số 828/QĐ-TTg về việc phê duyệt Phương án cổ phẩn hóa và cơ cấu lại Tổng Công ty Xăng dầu Việt Nam thành Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam, trong đó có nội dung tái cấu trúc Công ty CP Hóa dầu Petrolimex thành Tổng Công ty Hóa dầu Petrolimex.

Ngày 10/07/2012, Đại hội đồng cổ đông Công ty CP Hóa dầu Petrolimex đã thống nhất, ban hành Nghị Quyết số 02/NQ-PLC-ĐHĐCĐ trong đó có nội dung về việc đổi tên Công ty CP Hóa dầu Petrolimex thành Tổng Công ty Hóa dầu Petrolimex 

Thực hiện chỉ đạo, ủy quyền của Thủ tướng Chính phủ, ngày 27/11/2012 Bộ Công thương đã ban hành văn bản 11490/BCT-TCCB, thông báo ý kiến về đề án tái cơ cấu Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam, theo đó Bộ Công thương đồng ý “thực hiện cơ cấu lại các đơn vị thành viên của Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam để hình thành các Tổng Công ty cổ phần chuyên ngành Hóa dầu, Gas, Bảo hiểm theo Luật doanh nghiệp, trong đó Tổng Công ty Hóa dầu Petrolimex là Doanh nghiệp do Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam nắm giữ trên 75% Vốn điều lệ, hoạt động trong lĩnh vực chuyên doanh Hóa dầu”.

Ngày 05/02/2013, Hội đồng quản trị Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam đã ban hành Nghị quyết số 047/2013/PLX-NQ-HĐQT về việc phê duyệt “Đề án cơ cấu lại để hình thành Tổng Công ty cổ phần Hóa dầu Petrolimex”.

Trên cơ sở các quy định của Pháp luật và các văn bản chỉ đạo của Thủ tướng Chính phủ, Bộ Công Thương, Bộ Kế hoạch đầu tư và Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam, Công ty CP Hóa dầu Petrolimex đã tiến hành các thủ tục liên quan để đăng ký thay đổi tên Công ty CP Hóa dầu Petrolimex thành Tổng Công ty Hóa dầu Petrolimex.  Ngày 03/04/2013, Sở Kế hoạch và đầu tư Thành phố Hà Nội đã hoàn thiện các thủ tục cấp Giấy chứng nhận đăng ký doanh nghiệp thay đổi lần thứ 14 cho Công ty CP Hóa dầu Petrolimex, theo Giấy chứng nhận đăng ký doanh nghiệp mới, Công ty Cổ phần Hóa dầu Petrolimex đã chính thức được chấp thuận đổi tên thành Tổng Công ty Hóa dầu Petrolimex