构造油藏勘探阶段
(1907年至1979年)
该阶段以寻找构造圈闭为目标，在盆地周边开展石油勘探工作。1907年至1949年，油气勘探仅限于陕北延长地区地面地质普查，石油勘探围绕地面构造勘探，发现了永坪油田。1950年至1969年，石油勘探集中在盆地西缘马家滩一带，发现了马家滩、李庄子等小油田。1969年10月，燃料化学工业部根据“建设三线”的要求，决定以侏罗系古地貌油藏勘探为重点，先后发现了宁夏马坊、红井子和陇东马岭等油田，新增探明石油地质储量8946万吨，迎来了第一个储量增长高峰。
油气并举岩性油气藏勘探阶段
(1980年至2008年)
1980年开始，在三角洲成藏理论指导下，石油勘探转入盆地东部陕北斜坡三叠系延长组，以塞1井获日产59.86吨的高产油流为标志，发现了首个岩性油藏安塞亿吨级大油田。截至1989年共探明石油地质储量1.8亿吨，迎来第二个储量增长高峰。
1988年陕参1井、榆3井在奥陶系碳酸盐岩和上古生界砂岩中获工业气流后，发现了碳酸盐岩性油藏和低渗透砂岩岩性气藏，盆地石油勘探进入油气并举、协调发展阶段。在短短的10年时间里，发现了下古生界靖边气田、上古生界榆林气田，提交探明储量3122亿立方米；石油勘探进入快车道，先后探明3亿吨级大型岩性油藏——靖安油田，发现了华池、南梁、镇北等油田。
1999年开始，以大型浅水河流—三角洲沉积成藏理论为指导，在上古生界发现并探明了苏里格、乌审旗、米脂、子洲等气田，累计探明储量达1.7万亿立方米；以奥陶系碳酸盐岩风化壳天然气成藏地质理论为指导，扩大了靖边、榆林气田含气范围，累计探明储量4337亿立方米。中生界石油勘探在三角洲沉积成藏理论指导下，相继发现并探明了绥靖、西峰、姬塬等油田，探明储量达13.6亿吨。
常规岩性、非常规油气立体勘探阶段
(2009年至今)
2008年开始，在非常规油气勘探理论指导下，坚持常规、非常规油气立体勘探。中生界常规石油勘探形成4个10亿吨级以上的常规油大油区。2011年开始进行致密油勘探，先后发现了新安边、陕北、陇东等长7致密油富集区。下古生界勘探转为风化壳与碳酸盐岩内幕岩性勘探并重的勘探思路，扩大了靖边气田的范围，形成6000亿立方米的储量规模。上古生界致密气勘探突飞猛进，早期发现的气田连成一片，形成数万亿立方米的苏里格致密气大气区和近万亿立方米的东部多层系致密气大气区。
