Нефтеперерабатывающее производство, действовавшее ранее на площадке современного Ильского НПЗ, было основано Азово-Черноморским Федеральным управлением по строительству дорог ещё в 1980 году. Изначально предприятие ориентировалось на производство дорожного и строительного битума, позже была разработана технология изготовления кровельного битума.

В 2001 году руководство приняло решение о перепрофилировании предприятия и строительстве установки по переработке тяжёлой нефти с получением мазута, а затем битума. В 2002 году битумная установка была реконструирована в установку атмосферной перегонки нефти АТ-1 мощностью 35 тыс. тонн в год. Реконструкция 2006 года позволила увеличить мощность до 90 тыс. тонн нефти в год, а новая концепция развития завода предусматривала упор на первичную переработку сырья и экспорт нефтепродуктов.

Впоследствии были возведены ещё 3 технологические установки – АТ-2 (2007 г.), АТ-3 (2009 г.), АТ-4 (2010 г.), а общая мощность завода достигла 1,1 млн тонн нефти в год. Также была создана вся необходимая инфраструктура, обеспечивающая бесперебойную и эффективную работу нефтеперерабатывающего завода: возведены резервуарные парки объёмом 75 тыс. куб. м, ж/д эстакада слива нефти и налива нефтепродуктов, автомобильная эстакада налива нефтепродуктов, модернизированы очистные сооружения, проложены коммуникации и автодороги и т.д.

В 2013 году на Ильском НПЗ завершено строительство технологической установки АТ-5, рассчитанной на переработку как малосернистого сырья, так и его смеси с сернистой нефтью марки Urals. Общий объём переработки достиг 2,2 млн тонн в год. В период с 2015 по 2016 год удалось нарастить мощность до 3 млн тонн в год.

В 2016 году построен приёмо-сдаточный пункт и магистральный нефтепровод-отвод с подключением к трубопроводной системе ПАО «Транснефть», обеспечивающий подачу 1500 тыс. тонн малосернистой нефти в год. На официальной церемонии пуска присутствовал губернатор Краснодарского края Вениамин Кондратьев.

В феврале 2020 года завершены мероприятия по реконструкции НПС «Нововеличковская» и строительству магистрального нефтепровода Нововеличковская — Краснодар протяжённостью 21 км, а также проведено расширение приемо-сдаточного пункта нефти с вводом в эксплуатацию второй системы измерения количества и качества нефти. Выполненные работы позволили предприятию перейти на обеспечение поставок нефти полностью по системе магистральных нефтепроводов, а пропускная способность приемо-сдаточного пункта увеличилась до 3 млн нефти.

В рамках первого этапа проводимой на предприятии модернизации ведется строительство АТ-6 – современной установки первичной подготовки и переработки нефти ЭЛОУ-АТ-6 мощностью 3,6 млн тонн в год. Ввод в эксплуатацию запланирован на конец 2020 года.