珠江口盆地位于东经113°10’—118°00’、北纬18°30’—23°30’之间，是南海北部大陆架和陆坡上的一个大型新生代为主的沉积盆地，沉积岩厚度大于10000米。

1974年初，中国第二海洋地质调查大队在完成了北部湾的油气普查任务后，确定了在广东大陆架开展油气勘查的战略转移。1974年9月，广东省革命委员会在佛山召开石油地质工作会议，冯志强代表第二海洋地质调查大队在大会发言，建议今后应将珠江口海域作为油气普查的主要战场。其后，具体将勘查工作布置在东经108°—114°，南到北纬16°，北抵广东沿岸，总面积29万平方公里，比例尺为1∶50万—1∶100万。1975年初，由海洋二号调查船从广东大陆架西部湛江湾向东以40公里的线距进行地震、磁力、测深等综合调查，经过5个多月的紧张施上，当年完成10条主测线，总长5219公里。1975年11月编写出《广东大陆架地质构造轮廓》的报告，正式宣布发现珠江口盆地，明确指出：珠江口外坳陷带（包括珠江口盆地和琼东南盆地）是广东大陆架的主体，是油气勘探首先注目的对象。

1976年，编写了《南海北部海洋地质初查报告》，把珠江口盆地划分为北部断阶、珠一坳陷、珠三坳陷、东沙隆起、神弧暗沙隆起、珠二坳陷等16个二级构造单元。明确指出了北部湾、琼东南盆地、珠江口盆地、台湾浅滩盆地具有良好的油气远景，其中珠江口盆地面积最大，是一个大型的新生代沉积盆地，具有面积大、厚度大、沉降深、沉速快、生油条件好的特点。并根据其构造发育和生、储、盖地质条件，将盆地划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级油气远景区，其中珠一坳陷和珠二坳陷的主体部位、卫滩隆起西南部及中部隆褶带南部是油气远景最有利的Ⅰ级远景区，珠三坳陷的主体部位是Ⅱ级远景区。

珠江口盆地的新生代地层层序，自上而下为第四系、上新世万山组、中新世粤海组、韩江组、珠江组、渐新世珠海组、始新世恩平组和文昌组、古新世神弧组。其中珠江组上部海相泥质岩、珠江组中下部和珠海组非海相泥质岩（盆地南部过渡为海相）、恩平组和文昌组的湖相泥质岩均可作为生油岩系。各组地层简述如下：

第四系：下部为砂砾石层，中部为灰色粉砂质粘上层与灰色砂砾岩层互层，上部为灰色、灰黄色粘土、含砾粗砂层，厚78.5—418米，从西北向东南增厚。本系含有NN19－NN20带超微化石，其中盘星的消失可作为上第三系和第四系的分界。

万山组：下段以灰色—暗灰色粉砂质泥岩为主，夹薄层灰色砂岩。上段为灰白色细砾岩、砂岩为主。总厚282—780米。下部泥岩广泛超覆于全盆地各组地层之上，N19带大量产出浮游有孔虫和出现较深水的底栖有孔虫种属。钙质超微化石属NN12－NN16带，数量多，分布广。

粤海组：下段为灰白色细砾岩夹薄层灰色粉砂质泥岩。中段为灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和中粒砂岩互层。上部以灰白色砂砾岩为主，夹粉砂质泥岩、灰质砂岩。厚度34—814米，所含生物化石较少，与韩江组之间存在沉积间断。

韩江组：岩性自下而上由粗变细，可分两个正旋回。每个旋回下部为灰色砂砾岩、砂岩和泥岩的不等厚互层，上部以灰色、灰绿色粉砂质泥岩为主，夹薄层褐煤、沥青质页岩和灰质砂岩。厚478—1303米，下部地震剖面上常可见到局部斜层结构，说明为珠江口盆地三角洲主要发育期，与下部珠江组为连续沉积。

珠江组：下段为厚层灰白色砂岩夹深灰色泥岩、白云质砂岩和沥青质页岩，局部见少量棕红色岩层。上段为灰色、浅灰色泥岩夹白色砂砾岩、白云质砂岩、钙质砂岩。顶部以泥岩为主。厚337—819米，富含有孔虫和钙质超微化石，属滨海、浅海沉积环境。

珠海组：主要为一套灰白色、灰色块状砂砾岩、砂岩夹深灰色泥岩、沥青质页岩，下粗上细。在边部地区夹有棕红色或杂色砂岩及泥岩。厚0—585米，沉积环境下部以陆相为主，往上为海陆交互相。横向上南部为滨海、浅海环境，东部和西部属河流平原、泻湖和海湾相。

恩平组：以含煤系地层为特点，下部为大套砂岩夹泥岩，上部为黑灰色泥岩与砂岩互层，夹煤层和炭质页岩。厚0—1320米，沉积环境东部为河流平原、湖沼相，西部属三角洲平原相。

文昌组：岩性以一套厚层灰黑色、褐灰色泥岩为主，夹少量砂岩，上部夹有煤层。本组分布广泛，厚0—912米，属滨湖、浅湖至半深湖相沉积。

神弧组：在盆地西部为一套暗棕色—灰白色厚层块状砾岩、含砾砂岩夹少量泥岩、粉砂岩。东部为以凝灰岩为主的火山碎屑岩夹杂色岩层。厚0—958米，本组地层不整合超覆于变质岩和燕山期花岗岩之上，仅含孢粉化石，沉积环境属冲积、洪积相。

1977年10月，珠江口盆地的石油钻探由勘探二号平台在珠一井进行试钻，至1980年共钻了7口探井。在珠二井和珠四井均见到油气显示和油砂。1979年5月31日，由勘探二号平台施工的珠五井开钻，7月9日完钻，井深3150.34米，在井深2314—2838米间的8个层位中发现了大量油砂。终孔后，综合解释了8个油层，总厚26.2米，经对其中3个油层测试，获日产原油295.7立方米。为庆贺在珠江口盆地首次打出高产油气流，表彰在珠江口盆地找油的有功单位，1979年10月10日国家地质总局、广东省革命委员会在广州召开庆功授奖大会，给南海地质调查指挥部的7个单位记功授奖。从此，揭开了珠江口盆地油气勘探新的一页。1980年4—6月，在珠江口盆地第三构造带3号高点施工的珠七井中，在上第三系中试获少量原油，进一步扩大了找油的新层位，提高了对珠江口盆地的石油远景评价。

20世纪90年代以来，中国在该地区作了大量油气基础地质调查。2002年4月，国土资源部组织开展全国油气资源战略选区工作。经专家论证，《南海北部陆坡深水海域油气资源战略调查及评价》项目被列为首批全国油气资源战略选区调查与评价项目之一，由国家财政出资，国土资源部组织实施，中国海洋石油总公司承担，于2004年正式启动。

2006年07月13日，中国国土资源部宣布，中国海域油气勘探取得重要进展：全国油气资源战略选区《南海北部陆坡深水海域油气资源战略调查及评价》项目，在中国南海珠江口盆地实施的LW3-1-1井获得天然气重大发现，初步估算天然气资源超过一千亿立方米，有望成为中国海域最大的天然气发现。 第一口水深超千米探井重大发现，证明中国南海珠江口盆地白云凹陷是一个有利的油气富集区，证实中国南海深水海域具有较大的油气资源潜力，大大增强了中国进行南海北部深水陆坡油气勘探的信心。

2012年12月28日，中国海洋石油有限公司宣布，位于南海珠江口盆地的两个油田项目正式投产。番禺4－2/5－1油田平均水深约为100米，预计将于2014年达到高峰产量。另一油田项目流花4－1油田平均水深约268米，中海油结合该油田特点，采用新建水下生产系统，同时依托周边已有设施进行开发；预计油田将于2013年达到高峰产量。中海油在番禺4－2/5－1油田拥有75.5%的权益，任作业者；合作伙伴柏灵顿资源中国有限公司拥有其余24.5%的权益。流花4－1油田为中海油自营油田，中海油拥有100%的权益，并任作业者。2022年10月，复星旗下海南矿业发布公告称，旗下控股子公司洛克石油与中海油合作的南海珠江口盆地03/33合同区勘探井获得重大勘探突破，在古近系地层获重要油气发现。

截至2024年2月10日，位于南海珠江口盆地的西江油田累计生产原油突破1亿立方米。

2024年3月9日报道，在珠江口盆地发现我国首个深水深层大油田——开平南油田，探明油气地质储量1.02亿吨油当量。

2024年9月10日，中国海油宣布，中国珠江口盆地荔湾4-1构造超深水海域钻获一口天然气井，测试日产天然气无阻流量43万立方米。