A década de 80 levou a Petrobras a superar grandes desafios. Com as bruscas elevações de preços no exterior, o dispêndio de divisas do país com petróleo e derivados aumentou mais de dez vezes, chegando a alcançar a casa dos 10 bilhões de dólares em 1981. Os investimentos nas atividades de exploração e produção, junto ao esforço desenvolvido na área de comercialização, contribuíram para reduzir a dependência energética. Ao final da década, o dispêndio líquido de divisas com importação de óleo e derivados caía para cerca de 3 bilhões de dólares.

Para o desafio de produzir em águas na faixa de 120 metros, a Petrobras valeu-se de tecnologia disponível no exterior. Assim foi implantada a primeira fase de produção da bacia de Campos, que permitiu ao Brasil aumentar substancialmente a produção de petróleo. Ao mesmo tempo, a Petrobras ampliou a utilização dos sistemas antecipados, que trouxeram dois ganhos fundamentais: a possibilidade de antecipar receitas e o domínio gradual da tecnologia de produção submarina. A produção passou, assim, a bater sucessivos recordes, atingindo 675.135 barris diários em dezembro de 1989.

Mas os anos 80 trouxeram boas notícias também para a produção em terra. Em 1988, entrou em operação o campo de Rio Urucu, no Alto Amazonas, descoberto dois anos antes. Foi um verdadeiro marco histórico das atividades da Petrobras na Amazônia, onde a procura de petróleo antecedia a própria criação da empresa.

Na área de refino, as instalações industriais da Petrobras foram adaptadas para atender à evolução do consumo de derivados. Para isso, foi implantado na década de 80 o projeto conhecido como "fundo de barril". Seu objetivo era transformar os excedentes de óleo combustível em derivados como o diesel, a gasolina e o gás liquefeito de petróleo (gás de cozinha), de maior valor.

Outro marco da década foi a atenção especial dada à preservação do meio ambiente. A Petrobras passou a dedicar grande quantidade de recursos ao treinamento e à educação ambiental, assim como ao desenvolvimento de tecnologias específicas de proteção ao meio ambiente e a adoção de um programa de melhoria da qualidade dos combustíveis.

Também se destacaram nos anos 80:

• Entra em operação a Refinaria Henrique Lage (Revap), em São José dos Campos, SP (1980);
• São instalados na bacia de Campos os Sistemas de Produção Antecipada, com tecnologia desenvolvida pelos técnicos da Petrobras (1981);
• Entra em operação o III Pólo Petroquímico, instalado em Triunfo, RS (1982);
• É construído, em São Sebastião (SP), o Centro Modelo de Combate à Poluição no Mar por Óleo, o primeiro do país (1984);
• Alcançada a meta-desafio de produção de 500 mil barris diários de petróleo;
• São realizadas as únicas descobertas comerciais efetuadas pelas contratantes de risco: gás natural pela Pecten na bacia de Santos e óleo pela brasileira Azevedo Travassos, na parte terrestre da bacia Potiguar (1985);
• São descobertos os campos de Albacora (1984) e Marlim (1985), os primeiros campos gigantes em águas profundas na bacia de Campos;
• É criado o Programa de Inovação Tecnológica e Desenvolvimento Avançado em Águas Profundas e Ultraprofundas, para viabilizar a produção de óleo e gás em águas superiores aos 1.000 metros, mais tarde estendido aos 2.000 e posteriormente aos 3.000 metros (1986);
• É consolidado o pioneirismo na exploração e produção em águas profundas, com a perfuração de poços em lâminas d'água superiores a 1.200 metros e produção a profundidades de cerca de 400 metros, o que constitui recorde mundial (1986);
• A Petrobras supera seu próprio recorde, produzindo petróleo a 492 metros no campo de Marimbá, na bacia de Campos (1988);
• É retirado totalmente o chumbo tetraetila da gasolina produzida pela Petrobras (1989).