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 было принято 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 предприятия до 90 тыс. тонн нефти в год.

Новая концепция развития завода предусматривала упор на первичную переработку сырья и экспорт нефтепродуктов: 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 коллектив Ильского НПЗ создал необходимую инфраструктуру для обеспечения бесперебойной и эффективной работы нефтеперерабатывающего завода: резервуарные парки объёмом 75 тыс. куб. м, ж/д эстакада слива нефти и налива нефтепродуктов, автомобильная эстакада налива нефтепродуктов и др. Также были модернизированы очистные сооружения, проложены коммуникации и автодороги.

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 1,5 млн 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 перейти на обеспечение поставок нефти полностью по системе магистральных нефтепроводов, а пропускная способность приемо-сдаточного пункта Ильского НПЗ увеличилась до 3 млн нефти.

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

Общая производительность завода составила 6,6 млн тонн нефти в год.