Amb seu a Rio de Janeiro, fou creada amb l’objectiu d’impulsar la prospecció, producció, refinatge, transport i distribució del petroli del Brasil. És propietària d’una important infraestructura que comprèn refineries, oleoductes, plataformes petrolieres, vaixells petroliers i xarxes de benzineres. Present en una vintena llarga de països, és la primera companyia de l’Amèrica del Sud i una de les més grans del món en volum de capitalització, i és líder en prospecció marítima a grans profunditats. Fins a mitjan dècada de 1990 operà en règim de monopoli estatal. A partir d’aquests anys, tot i mantenir sempre la majoria accionarial, l’estat permeté l’entrada a accionistes privats i aixecà gradualment el monopoli, tot permetent la competència amb altres companyies, tant brasileres com estrangeres, amb les quals també coopera en projectes conjunts. A la primera dècada del segle XXI experimentà una forta expansió gràcies als elevats preus dels hidrocarburs i, molt especialment, per la descoberta els anys 2006-08, de nombrosos camps de petroli a la conca de Santos, a uns 250 km de la costa de Rio de Janeiro, dels quals el camp de Tupí (posteriorment anomenat camp Lula) és un del més grans de l’hemisferi occidental. Tot i l’abundància d’aquestes reserves, els elevats costos de la seva explotació i la caiguda de la demanda de petroli a la segona dècada del segle XXI comportaren un augment alarmant del deute de la companyia. A banda, l’empresa ha estat també criticada per les dimensions excessives i per una gestió ineficient i castigada per les pràctiques corruptes. Des del 2014 té lloc una investigació judicial segons la qual una trama que involucra Petrobras, contractistes privats i polítics, molt especialment del partit governant, el Partit dels Treballadors, i del mateix executiu brasiler, hauria desviat des del 2003 milers de milions en suborns. L’escàndol desencadenàuna crisi política sense precedents al Brasil que portà, el 2016, a la suspensió de la presidenta Dilma Rousseff i al processament de l'ex president Luiz Inácio Lula da Silva.