thumb|Den norske Statfjord A-installation i 1982, med hotelplatformen Polymariner til venstre, med røde ben. Øverst til højre og nede til venstre afbrændes gas ved flaring. thumb|Oseberg A-produktionsplatformen i stormvejr. thumb|Troll A-platformen står på 345 m vanddybde i Norske Rende. Den hviler på fire condeep-betonben, som sammen med platformen ovenpå udgør en 472 m høj konstruktion, som vejer 656.000 tons og hermed er det største bygværk som nogensinde er blevet flyttet.Århundrets ingeniørbragd 1900-2000: Trollbinder hele verden - Tu.no Nordsøolie er en samlet betegnelse for forekomster af kulbrinter (olie og gas) under Nordsøens bund. De første oliefelter i Nordsøen blev opdaget i begyndelsen af 1960'erne, og siden da har alle lande rundt om Nordsøen iværksat indvinding af de værdifulde råstoffer. Produktionen af olie toppede i 1999 med en dagsproduktion på over 1 mio. m3, mens dagsproduktionen af gas nogle år senere nåede tæt på 1 mia. m3.International - U.S. Energy Information Administration (EIA) Siden da har produktionen været jævnt aftagende.
Nordsøens olie- og gasfelter udgør på verdensplan de største fund af kulbrinter siden Anden Verdenskrig. Dog ville Nordsøens reserver kun kunne dække verdens samlede forbrug i tre år.C. J. Campbell og Siobhan Heapes (2008): An Atlas of Oil and Gas Depletion. Jeremy Mills Publishing, , side 5 Nordsøen rummer størstedelen af Europas olie- og gasreserver og hører blandt de største producenter af olie uden for OPEC.Roland Löffler: Milliardenquelle im Wattenmeer - die Offshore-Förderung von Öl und Gas. Das Parlament 2006, nr 25
Nordsøolien har haft afgørende betydning for nationaløkonomi, energiforsyning og beskæftigelse i de berørte lande. Dette gælder især Norge og Storbritannien, men også Nederlandene og Danmark og i mindre grad Tyskland har nydt godt af forekomsterne.
I januar 2015 var Nordsøen verdens mest aktive område mht. offshore-boringer med 173 aktive borerigge.Swartz, Kenneth I. (16. april 2015): Setting the Standard. Vertical Magazine I maj 2016 havde faldende oliepriser efterhånden gjort kulbrinteindvinding i Nordsøen til en økonomisk anstrengt forretning.
Som led i den grønne omstilling vedtog det danske Folketing i december 2020 at indstille al indvinding af olie og gas i dansk nordsø i 2050.
Geologi thumb|Olie- og gasfundene i Nordsøen falder i to grupper, dels olie- og gasfelter i den tredelte gravsænkning Viking Graben - Moray Firth Rift - Central Graben i midten og mod nord, dels gasfelter i den karbone gasprovins mod syd. Tilstedeværelsen af kulbrinter i Nordsøen er betinget af, at Nordsøen gennem de seneste 300 mio år har udgjort et bassin, hvori en række forskellige lag er aflejret.
Dannelse af kulbrinter thumb|left|Eksempler på kulbrinte-køkkener og -fælder. Råolie er en brunlig til sort tykflydende væske, mens kondensat minder mere om benzin. Naturgas er en klar luftart med tydelig lugt. Visse lag under Nordsøen har et stort organisk indhold og dermed potentiale for dannelse af kulbrinter (kildebjergarter), andre er så permeable, at de dannede kulbrinter har kunnet samle sig her (reservoirbjergarter), og endelig er nogle så impermeable, at kulbrinterne ikke er steget helt op i havbunden og forsvundet, men er blevet fanget nede i dybet (seglbjergarter). Et område hvor alle disse tre slags lag forekommer, kaldes inden for oliegeologi for et play, som altså er et område med potentiale for olieindvinding. For at kulbrinteforekomster kan dannes, skal disse betingelser skal være opfyldt, jf tegningen til venstre: der skal være en god kildebjergart, kildebjergarten skal være sunket ned til en dybde, hvor det organiske indhold i såkaldte kulbrintekøkkener kan omdannes til kulbrinter, og den skal være begravet af tykke, overliggende lag, der skal være en god reservoirbjergart, som olie og gas kan vandre ind i, og den skal derfor helst ligge over kildebjergarten (men kan godt ved skrånende lag ligge under), der skal være en fælde, hvor olie og gas kan samles i reservoirbjergarten - det kan være en bule i laget over en saltstruktur eller en forkastning, der skal være et segl over reservoiret, så olien eller gassen ikke siver ud.Finn Surlyk: Olie og gas. Side 467-471 i: Gunnar Larsen (red., 2006): Naturen i Danmark. Geologien, Gyldendal, 549 sider, Hvis kildebjergarten er sunket så dybt, at temperaturen når over 60° C, begynder kulbrinterne at udskilles fra det organiske stof, og denne proces foregår optimalt ved 120°-140° C. Når temperaturen når over 160° C, dannes i stedet gas. Det ideelle temperaturinterval mellem 60° og 160° C, kaldet olievinduet, ligger typisk i Nordsøen omkring 2-5 km dybde, og dette forklarer, hvorfor de fleste felter ligger inden for riftsystemerne, for det er kun her, kildebjergarterne er nået dybt nok ned.thumb|left|Stratigrafisk søjle med vigtige begivenheder i nordsøoliens dannelse.
Den karbone gasprovins Den stratigrafiske søjle til venstre viser ti vigtige trin i dannelsen af nordsøolien. Nederst (og tidligst) blev der i Karbon-periodens udstrakte sumpskove dannet tykke kullag (1). Kullene blev i den efterfølgende varme og tørre Perm-periode dækket med permeabel ørkensand (2). Senere, i Zechstein, oversvømmede havet ørkenen, og det tørre og varme klima førte til at der udfældedes tykke, impermeable saltlag på bunden af havet (3), oven på ørkensandet. Herved var de geologiske forudsætninger til stede for dannelsen af de karbone gasfelter i den sydlige Nordsø.Sørensen (1996)
Den jurassiske riftprovins thumb|Blokdiagramskitse af Viking Graben som den må have set ud i Øvre Jura, med typiske olieplays: Brae-feltet i shelf-sand på vestre flanke, Miller-feltet i turbiditsand midt i gravsænkningen og Troll-feltet i shelf-sand på østre flanke. Grænsen mellem den britiske og norske økonomiske zone løber tilfældigvis midt i gravsænkningen. thumb|Længdesnit på tværs af Central Graben, nogenlunde langs grænsen mellem dansk og norsk område. I slutningen af Trias bredte Tethys-havet mod syd sig ind over det meste af Nordeuropa og Nordsøen, og langs dette havs kyster dannedes i Mellem Jura store deltasletter med tykke sandlag (4), som er en vigtig reservoirbjergart. I Sen Jura begyndte den nordamerikanske tektoniske plade at glide bort fra den europæiske, hvorved Atlanterhavet begyndte at dannes. I forbindelse med denne strækning af jordskorpen opstod der ned gennem Nordsøen en riftzone, hvor der anlagdes tre store gravsænkninger (5), Viking Graben og det tilknyttede East Shetland Basin mod nord, Central Graben mod syd og Moray Firth mod vest, som mødes i området ca 200 km øst for Aberdeen på Skotlands østkyst. I gravsænkningerne blev der aflejret tykke skiferlag med et stort indhold af marine alger, og disse lag (6), kaldet Kimmerige Clay, er Nordsøens vigtigste kildebjergart. I de lavvandede områder langs med gravsænkningerne aflejredes der sandlag, som fungerer som reservoirbjergart. Lejlighedsvist, fx i forbindelse med jordskælv, kunne disse sandlag blive så ustabile, at de som store undersøiske jordskred, turbiditter, førtes ud i gravsænkningen og lagde sig som permeable sandlag oven på de organiske skiferlag (7).
I løbet af Kridt-perioden blev aflejringerne i Nordsø-bassinet efterhånden domineret af kalk, i den centrale del i form af skrivekridt (8), som længere mod nord afløstes af mergel og skifer. Selvom skrivekridt er meget finkornet, er det samtidig forholdsvis porøst, og dermed potentielt en reservoirbjergart. Saltlagene fra Zechstein begyndte i Sen Jura i forbindelse med den tektoniske aktivitet at samles i søjleformede strukturer, saltdiapirer, som pressede de overliggende lag opad, og skrivekridtlagene blev herved gennemsat af en mængde sprækker, som gør lagene væsentlig mere permeable.
Ved overgangen fra Kridt til Palæogen bevirkede den pladetektoniske spredning af Atlanterhavet, at den nordlige del af Storbritannien blev hævet op, og den efterfølgende nedbrydning og forvitring af disse markante landområder førte til aflejring i Nordsøen af sand af Paleocæn og Eocæn alder (9). Senere bredte havet sig i området, hvorved havdybden øgedes, og der aflejredes nu lag af meget finkornet, impermeabel plastisk ler, som kom til at virke som seglbjergart for mange af kulbrinteforekomsterne i den centrale og nordlige Nordsø.
I Neogen tog indsynkningen af Nordsø-bassinet til, og kildebjergarterne kom nu ned på så store dybder, at temperaturen kunne stige til 100-150° C, hvorved olie- og gasdannelsen gik i gang (10). Selvom kildebjergarten Kimmeridge Clay er omkring 140 mio år gammel, er det meste af nordsøolien herfra dannet inden for de seneste 10 mio år, og olie- og gasdannelsen foregår stadig i dag.Rønø Clausen m.fl. (2013)
Vigtige fund thumb|Olie- og gasfelter i Nordsøen. thumb|Nogle nordsø-oliefelters udstrækning sammenlignet med Fyn. De første fund af nordsøolie blev gjort i landområderne omkring Nordsøen. Allerede i 1850-erne fandt man olie ved Wietze nær Hannover,Deutsches Erdölmuseum Wietze og i 1910 fandt man gas i en boring ved Hamburg. I England fandt selskabet BP i slutningen af 1930-erne flere steder i East Midlands forekomster af olie og gas. Der var tale om mindre forekomster, idet Wietze-feltet nåede en dagsproduktion på 8.400 tønder, mens de engelske felter nåede op på 2.500 tønder om dagen.Glennie (1998), s. 11–12
Også i Nederlandene blev der gjort små fund af olie i tiden omkring Anden Verdenskrig, men det var først med Slochteren-1 boringen ved Groningen i 1959, at et stort fund af kulbrinter blev gjort, i form af gas i et sandstensreservoir fra Perm. Dette er Europas største og et af verdens største gasfelter, som oprindeligt indeholdt 2.800 km3 gas. Det store reservoir fortsætter ud under Nordsøen, og olieselskaberne begyndte derfor at interessere sig for indvinding til havs. Der var imidlertid endnu ikke foretaget nogen opdeling af Nordsøen i økonomiske zoner, og først da FNs Havretskonvention for Nordsøen trådte i kraft i 1964 blev det attraktivt at investere i efterforskning og indvinding til havs.P. S. Johnson (2002): The Structure of British Industry. Routledge, , side 28–30
Resultaterne lod ikke vente længe på sig. I september 1965 fandt man gas i West Sole feltet ud for Norfolk, i december samme år fandt man Viking gasfeltet, og året efter gasfelterne Leman Bank, Indefatigable og Hewett. Alle disse fund var gjort i sandsten fra Perm og Trias i den karbone gasprovins i den sydlige del af Nordsøen, og det var i første omgang her man rettede opmærksomheden hen. Små fund af olie i den danske del af Nordsøen, Anne i 1966 samt Roar og Tyra i 1968, fik dog olieselskaberne til også at interessere sig for den centrale del af Nordsøen,Evans m.fl. (2003), s. 331 og her fandt man i december 1969 et kæmpemæssigt oliefelt, det norske Ekofisk. Man var nu klar over, der også fandtes betydelige kulbrinteforekomster i skrivekridt-reservoirer, og i 1971 fulgte fundet af det danske Dan-felt. I mellemtiden havde briterne i 1970 fundet olie i Montrose-feltet og det kæmpemæssige Forties-felt ca. 200 km øst for Aberdeen, begge felter i paleocæne sand-reservoirer.Glennie (1998), s. 350-375
I 1971 fulgte det måske mest skelsættende fund, nemlig Brent-feltet i East Shetland-bassinet nordøst for Shetlandsøerne. Hidtil havde man ikke formodet, der kunne være reservoirer dybere end skrivekridtet, men i denne boring fandt man en serie på mere end 200 m sandsten fra Jura, som var fyldt med olie. I løbet af få år blev der fundet en række felter i denne reservoirtype, således de norske felter Statfjord, Oseberg, Snorre og Gullfaks og de engelske Brent, Beryl, Cormorant, Lyell og Ninian. Også de danske felter Harald og Lulita er af denne type. Brent-råolien er af en forholdsvis let, svovlfattig type, som er nem at forarbejde, og olie fra Brent og lignende felter er blevet en international prisstandard ved oliehandel, såkaldt Brent Crude.