PDVSA desarrolla sus operaciones a través de sus filiales, así como también, con la participación en asociaciones con compañías locales y extranjeras; estas últimas sujetas a leyes y regulaciones diferentes. Las operaciones incluyen:

• Exploración, producción y mejoramiento de crudo y gas natural.
  
• Exploración y producción de gas natural de recursos Costa Afuera, incluyendo la posibilidad para la exportación de líquidos de gas natural (LGN).
  
• Refinación, mercadeo, transporte de crudo y productos refinados, y el procesamiento,mercadeo y transporte de gas natural.

Las reservas de petróleo y gas natural de Venezuela y las operaciones de exploración, producción y mejoramiento están localizadas sólo en Venezuela, mientras que las operaciones de refinación, mercadeo y transporte están localizadas en Venezuela, el Caribe, Norteamérica, Suramérica, Europa y Asia.

Actividades
Las actividades de PDVSA están estructuradas en cinco áreas geográficas: Occidente, Oriente, Centro Sur, Faja Petrolífera del Orinoco y Costa Afuera, con el fin de manejar sus operaciones aguas arriba que incluyen las actividades de: exploración, producción y mejoramiento de crudo
extrapesado. CVP, filial de PDVSA, asumió el control de las actividades de todas las Empresas Mixtas y las licencias de gas natural Costa Afuera. Las operaciones aguas abajo incluyen:

• Refinación y mercadeo de productos en Venezuela bajo la marca PDV.
  
• Refinación y mercadeo de crudo y productos en el mercado internacional. Los productos se comercializan bajo la marca CITGO en las regiones orientales y del medio oeste de los Estados Unidos.
  
• Negocios en el Caribe, principalmente, a través de la Refinería Isla y operación de terminales de almacenamiento a través BOPEC en Bonaire, BulemBay en Curazao y BORCO (en proceso de venta) en las Bahamas. Asimismo, PDVSA a través de su filial PDV Caribe es dueña de una planta de llenado de bombonas de Gas Licuado de Petróleo (GLP) en St. Vincent.
  
• Negocios de refinación en los Estados Unidos de América a través de ocho refinerías de las cuales cinco son propiedad de CITGO: Lake Charles, Corpus Christi, Lemont, Paulsboro, Savannah y una participación del 50% en Chalmette, Hovensa y una unidad de destilación de petróleo de vacío y de coque llamada Merey Sweeny.
  
• Negocios de refinación en Europa a través de su participación en ocho refinerías: Gelsenkirchen, Schwedt, Neustadt, Karlsruhe, Nynashamn, Gothenburg, Dundee, y Eastham.
  
• Conducción de actividades de transporte marítimo, a través de su filial PDV Marina poseedora de 21 tanqueros.
  
• El negocio del gas lo desarrolla PDVSA Gas, S.A. filial verticalmente integrada. Esta filial se encarga de actividades de explotación de gas y el procesamiento de gas para la producción de LGN; así como, transporte y mercadeo de gas en el mercado interno y exportación del LGN. Adicionalmente, PDVSA Gas, S.A. procesa gas producido por las divisiones de exploración y producción de la filial PDVSA Petróleo (recibiendo todo el gas remanente después del consumo para las operaciones de PDVSA) para transporte y mercadeo en el mercado internacional.
  
• Deltaven, S.A. es la filial encargada del mercadeo y distribución al detal en Venezuela, de gasolina y otros productos con la marca PDV. Esta empresa, junto con el sector privado está promoviendo el desarrollo de la infraestructura y servicios comerciales para clientes al detal.
  
• Otra filial importante es INTEVEP, S.A. a través de la cual PDVSA maneja las actividades de investigación y desarrollo.