经过秦汉长达四百余年的大一统局面，社会经济有了巨大的发展，这就为三国两晋时期石油天然气的开发利用奠定了基础。同时，经过这四百年的凿井实践，也为石油天然气的开发利用提供了基本的技术手段。
首先，人们对酒泉延寿、高奴等地的石油苗有了新的认识。郦道元在《水经·河水注三》写道：“酒泉延寿县南山出泉水，大如筥，注地为沟，水有肥如肉汁，取著器中，始黄，后黑如凝膏，然极明，与膏无异，膏车及水碓缸甚佳，彼方人谓之石漆。水肥亦所在有之，非止高奴县水也。”这是对石油的形态、性质及用途所作的详细和真实的记录。其中还明确指出石油非高奴独有。从上述材料中还可以发现，三国两晋南北朝时石油不但被用于照明，而且还用作润滑剂，“膏车及水碓缸”。
随着三国两晋南北朝时期民族融合的进一步加强，新疆地区与内地的联系更加密切，这时史书中出现新疆石油的最早记载。《北史》中记载龟兹国（今新疆库车县一带）“西北大山中有如膏者，流出成川，行数里入地，状如■?，甚臭”。这里讲的“流出成川”者即石油在地表风化后，大量流出的现象。当时人们把这种石油视作灵丹妙药，认为“服之发齿已落者能令更生，病人服之皆愈”。世界其他地区的人们也在长期实践中，发现了石油的药用价值。17世纪中亚地区的人们认识到巴库地区石油的药用价值。19世纪初，美国的丹纳用石油制成药品，号称可医治百病。相比之下，中国对石油药用性的认识，要比世界其他地区早得多。
此外，这一时期在石油应用上还有一项重大突破。石油密度比水小，可以漂浮在水面燃烧，不易被扑灭。根据这个特性，人们首次将石油用作火攻原料。北周武帝宣政年间（578），突厥围攻酒泉，酒泉人以石油为燃料，焚烧突厥攻城器具，突厥人用水扑火，火不但不灭，反而愈烧愈旺，突厥军大败。这样酒泉城才未被突厥军占领。这个战例，在中国军事史和石油应用史上占有极其重要的地位。此后石油逐渐成为火攻武器的重要原料。
人们在对石油认识加深的同时，对天然气的开发利用也达到了新的高度。
三国时期，蜀相诸葛亮曾亲往临邛，观看天然气井的壮观景象。这时临邛的天然气井“深六十余丈”，如果折成现行公制，相当于138.24米。这样深的井，在当时世界上是绝无仅有的。
天然气井挖凿成功后，如何采气便于利用，成为人们关注的问题。天然气井采气的最早记录见于晋朝张华《博物志》。书中记述临邛天然气井“执盆盖井上煮盐”的采气法。说明最早的采气装置是“盆”，即煮盐的铁盆，反盖在井上，使井底上升的天然气不致扩散和泄溢。然后“以竹木投以取火”。这就起到采气和利用热能的作用，从而成功地开发浅层天然气。此外，人们还掌握了竹筒采集储存天然气的技术。
这时的天然气，不但被广泛应用，还成为文学作品的重要素材。著名文学家郭璞在其《盐池赋》中写道：“饴戎见轸于西邻，火井擅奇乎巴濮”。左思更有“火井沉荧于幽泉，高焰飞煽于天垂”的佳句。大书法家王羲之因听说四川天然气奇景，写信问友人具体情况，而给后人留下了千古名帖。
秦汉时期，天然气井仅限于巴蜀及陕西少数地区。魏晋时期，发现天然气苗的地区有所扩大。据《博物志》记载，酒泉延寿的人们不但发现了石油，而且也发现了天然气喷出地面燃烧的情况。值得一提的是，《晋书》中记载炎熙元年（306）五月，“范阳国地燃，可以爨”。地燃即天然气喷出地表燃烧的现象。当时范阳国辖境，相当于今河北涞源以东，固安、永清以西，徐水、容城以北，北京房山区以南的地区，就是今华北油田所在地。一千六百多年前，我国人民就在这里发现天然气，并用于烧饭，这是很了不起的。不久，人们又在这一地区幽州遒县发现了天然气。魏晋时期，由于生产力水平提高，人们对大自然的认识能力也不断加强，虽然这时还摆脱不了神秘主义的桎梏，认为石油、天然气为“异物”，但对它的产状、性质及用途已有较深刻的了解，并大胆地将这些“异物”用于生产生活的许多领域。这一时期对石油苗、天然气苗的记载，为我国石油、天然气工业的兴起提供了珍贵的资料。三国两晋南北朝时期，人们发现油气显示较多的地区，如玉门、延长、新疆、四川等，都成为后来石油、天然气勘探的重要地区。我国早期的油气田正是在这些史料所提供的范围内建成的。因此，三国两晋南北朝时期可以说是我国开发利用石油、天然气的一个重要阶段。