1961年4月16日，石油工业部华北石油勘探处在山东东营地区钻探的华8井获得工业油流。当年10月，石油工业部党组决定，在抓紧大庆外围勘探的同时，将华东石油勘探局与华北石油勘探处合并，集中力量加强渤海湾沿岸地区的勘探工作。
1962年9月23日，又在东营凹陷上的营2井获得高产油流(胜利油田的别称为“九二三厂”，因1962年9月23日华8井喷溅纪念日而得名)。经过两年多地球物理普查和钻探，到1963年下半年已有10多口探井出油。地质部第一石油普查大队在黄骅凹陷羊三木构造钻探的黄3井，也于1963年12月喷出工业石油流。
基于开展华北石油会战的条件已经成熟，1964年1月22日，石油工业部党组向中央书记处呈报《关于组织华北石油勘探会战的报告》。1月25日，中共中央批转这个报告，同意组织华北石油勘探会战，指出“这是继松辽油田大会战之后的又一次重要的会战”。这标志着胜利油田勘探会战和开发建设的正式开始。
1964年3月，石油工业部决定成立华北石油勘探会战总指挥部，机关设在东营，并陆续从大庆、玉门、青海、新疆等油田抽调2万多名职工，在南部的济阳坳陷和北部的黄骅坳陷两个主战场，同时展开石油勘探会战，并开始组建队伍在渤海海域开展海上物探和钻探。数以万计的石油工人从四面八方汇聚到山东东营，在茫茫盐碱滩上安营扎寨，胜利油田勘探开发建设会战从此全面展开。
会战之初，石油工业部部长余秋里，副部长兼华北石油勘探会战总指挥部指挥、工委书记康世恩亲临东营指导工作。石油工业部和会战总部从东营地区复杂的地质情况出发，制定了“区域展开，重点突破，各个歼灭”的勘探方针。“区域展开”是要求对整个东营地区进行区域性的侦查工作，全面了解地层、生储盖组合、构造和含油气情况；“重点突破”是在区域展开的基础上，选择有代表性又比较有把握的地区和含油气构造进行重点解剖；“各个歼灭”是对含油气有利地区采取集中兵力打歼灭战的方法，发挥多工种的综合优势，逐一搞清地下情况，把油田找出来。
5月，会战总部首先集中力量组织了坨庄—胜利村勘探会战。虽然环境条件极为艰苦，但广大石油职工艰苦奋斗，顽强拼搏，石油勘探捷报频传，坨11井和坨9井分获日产1134吨和1036吨的高产油流。仅用11个月时间，就基本探明山东境内第一个大油田——胜坨油田。
基本探明胜坨油田后，会战总部于1965年2月18日召开勘探会战第一战役誓师大会，在东起东营凹陷的王家岗、西至惠民凹陷的商河约8000平方千米的范围内，展开了“通—王—惠”勘探会战。共钻探10个地区，探明了纯化油田，发现了永安镇等多个含油地区，扩大了东辛和郝家油田的含油范围。
1965年7月和10月，永安镇地区和滨南地区的勘探战役分别打响，一举发现多个含油地区。到1966年，3年时间里，会战总部组织的这3场勘探战役共钻预探井和详探井345口，232口井钻遇油层，探井成功率达67.2%，共发现馆陶组、东营组、沙一段、沙二段、沙三段和沙四段6套含油层系，找到胜坨、东辛、永安、郝家、纯化、滨南、尚店和平方王等油田，新增含油面积115平方千米，石油地质储量3.5亿吨。
华北石油会战的一个重要成果，是在南部济阳坳陷迅速探明和开发了胜利油田。到1966年，共发现了9个油田，原油产量达到134万吨。此后，胜利油田进一步加强勘探，把勘探范围从东营凹陷扩大到整个济阳坳陷，相继开发建设了东辛、孤岛、临盘、义和庄等20个油田，发现了利津、梁家楼、大王庄等18个油田。1978年原油产量达到1946万吨。
华北石油会战的另一个重要成果，是在北部黄骅坳陷探明和开发了大港油田。1964年12月和1965年2月，首先在港东的港5井、港7井获得工业油流，只用1年多时间初步探明了港东油田。1965年7月，港西地区相继有11口探井发现良好油气显示。1966年大港油田原油产量达到11.5万吨。1967年渤海海上第一口油井出油。大港油田后经过进一步勘探开发，1971年原油产量达到169.23万吨，1978年达到300万吨。
