美国石油勘探工作开始时，是沿着油苗露头钻井的。后来，随着勘探地区的扩展，逐渐引入了地质科学。1900年以后，通过勘探实践，积累和丰富了知识，石油地质学科脱颖而出，成为地质学中一个特殊而重要的分支。
1860年以后，以H.D.Rogers为首的一批地质学家提出了石油海相生成、背斜储集，以及后来形成定碳比理论的有关基础知识。但是当时的勘探者并没有给予应有的重视，指导探井的主要方法仍是近油苗、地形高、油线、沿溪谷，以及其他各种掺杂迷信的方法。
1858年，J.P.Lesley引入了利用标准层进行构造作图的方法，1870年此方法被成功地用于石油构造的填图。1861年，美国的地质学家I.C.White发表文章，第一次明确提出了背斜是油气聚集的场所[29，30]。自1885年以后，I.C.White和E.Orton以大量实例论述石油的背斜储集、有机生成、储层的孔隙度和渗透率等一整套有关石油地质理论，并按照这种理论在西弗吉尼亚州的Mannington钻了一口探井。探井的成功证实了White等人理论的正确，但这些理论仍然没有为当时大多数的勘探者和地质学家们所接受，一直经过了8年的反复实践和争论，White等人的理论才得到普遍的承认。背斜理论的提出，标志着石油地质学的诞生。1915年，美国地质局总地质师D.White在美国科学院宣读了定碳比理论，认为可以由定碳比所测出的岩石变质程度来判断一个地区的含油远景。第一次世界大战后，随着石油勘探和石油地质学的进展，为了搞清地层对比，引入了古生物学和微古生物学。
通过背斜理论的长期应用实践，人们发现油气聚集的场所不仅包括背斜，还包括其他类型的场所，于是逐步形成了圈闭找油理论。这成为20世纪20～60年代找油的主要理论。在这段时期内的油气勘探工作，包括地质与勘探，都是仅仅围绕寻找各种类型的圈闭，查明有利于圈闭形成的各种地质环境，包括后来的围绕区域性隆起找油。圈闭聚油理论的形成，说明地质学家们已经注意到了局部的油气聚集规律。随着对地层圈闭勘探的深入发展，为了解决岩性和地层对比问题，又发展了岩石学和电测井技术。
1930年以后，现代石油地质学的概念已基本形成。现代石油地质概念在美国已基本形成的主要标志是美国石油地质学家协会(AAPG)发表的一系列有关的专门著作：1929年底发表的《美国的典型构造油田》；1934年发表的《石油地质问题》文集，阐明了有关石油生成、运移、聚集等的基本概念；1941年出版的《典型地层油气田》。这些基本认识构成了现代石油地质学的框架。后来，在石油勘探以及与石油地质有关的各个专门领域里，都有了很大的进展，如沉积学、地层学和构造地质学、地球化学等。有关各种勘探手段和实验室分析技术的发展速度更是日新月异，使人目不暇接，如地震勘探、钻探、测井、测试、遥感等。计算机技术的进展，使石油勘探开发各方面的技术都上了一个新的台阶。
20世纪60年代，被誉为“地球科学的一场革命”的板块学说诞生了。它用极其丰富的事实和证据，说明了地壳的发展与演化。由于板块之间的相对运动，即离散、聚敛及转换，形成了不同的结合带，如以正断层为主的离散型板块的裂谷带，聚敛型板块俯冲和碰撞造成的冲断带，以及走向滑动断层为主的转换型板块结合带。板块学说很快就为石油地质界所接受，并用它来解释沉积盆地的发生和发展，以及和油气藏的关系。
20世纪70年代以后，石油地质学的新理论、新方法层出不穷。以板块构造学说为核心的全球大地构造理论迅速发展，带动了沉积盆地成因机制、沉积类型和油气赋存条件的研究，加深了对油气与沉积盆地密切关系的了解，使从含油气盆地原型的角度进行油气远景评价得以迅速发展。地质学家可以从全球角度利用古地理的再造来重塑盆地的发生发展历史，可以通过盆地的分类来整体动态地评价沉积盆地的含油气远景。
盆地发育的古气候、古纬度直接控制了烃源岩的发育，因而也明显控制了油气资源的分布，以板块构造理论为基础的全球古地理再造，可以通过恢复不同地质历史时期大陆的相对位置。它使人们能够从全球板块构造格局角度来研究世界油气资源的时空分布，也使人们可以从盆地所处的大地构造位置来进行盆地的分类，对盆地或者盆地体系进行油气资源的类比及远景预测。
自从1972年W.D.Dow提出了“石油系统”一词以来，“含油气系统”的概念和技术也已经由探索走向成熟[31～33]。含油气系统是模拟油气生成、运移、聚集和保存的最合适单元，借助盆地五史模拟方法，能够更加准确地模拟油气生成、运移、聚集历史，定量预测资源量规模及其在三维空间的分布。
20世纪80年代后期，在沉积学、地层学和地震勘探技术不断发展，资料不断积累的基础上，一门新兴学科——层序地层学又发展起来，它是由以P.Vail为代表的埃克森生产研究公司的研究人员根据被动大陆边缘沉积特征提出的[34，35]。层序地层学十分强调层序划分和地层对比的等时性，这是它区别于生物地层学、岩性地层学、地震地层学的主要标志之一。层序地层学在勘探程度低的地区，可以更精确地对盆地范围进行年代地层学划分，进行古地理再造，建立盆地三维地质结构，正确恢复盆地的沉积充填和演化历史，为盆地模拟服务。
进入20世纪90年代以后，随着美国计算机技术的迅猛发展，油气地质理论研究的总趋势向着精细、定量，多学科相互结合、相互渗透的方向发展。含油气系统理论得到了进一步完善，而且还发展了高分辨率层序地层学和全息地层学。随着油气地质理论的不断发展，勘探技术也将相应提高。表2.2列出了20世纪美国石油地质理论的发展历程。
表2.2 20世纪美国主要石油地质理论发展历程[36]