La empresa fue fundada en Bilbao (Vizcaya) en 1968 para poder hacer efectiva una licencia para la construcción y explotación de una refinería otorgada por el Gobierno franquista a un grupo de industriales vascos.

[5]​ Ese año Repsol firmó un acuerdo estratégico con Petróleos Mexicanos (PEMEX) mediante el cual adquiría el 34,3% de la participación que la empresa mexicana poseía en Petronor,[5]​ aumentando con posterioridad su presencia en el accionariado.

Desde julio de 2008, Petronor fue presidida por Josu Jon Imaz, doctor en Ciencias Químicas y expresidente del Partido Nacionalista Vasco (PNV).

Su emblema comercial es una P dentada imitando las almenas del castillo de Muñatones, construcción de 1339 que se encuentra enclavada junto[aclaración requerida] a la refinería.

[10]​ La participación social en Petronor corresponde a: Petronor patrocina a clubes deportivos de su entorno (comarcas de Zona Minera, Margen Izquierda y Las Encartaciones).

[12]​[13]​ En 1997, patrocinó al equipo ciclista Euskadi-Petronor (posteriormente Euskaltel-Euskadi).