กรมเชื้อเพลิงธรรมชาติ จัดตั้งขึ้นตามนโยบายการปฏิรูประบบราชการของรัฐบาลตามพระราชบัญญัติระเบียบบริหารราชการแผ่นดิน (ฉบับที่ 5) พ.ศ. 2545 และพระราชบัญญัติปรับปรุงกระทรวง ทบวง กรม พ.ศ. 2545 ซึ่งประกาศในราชกิจจานุเบกษา ฉบับกฤษฎีกา เล่มที่ 119 ตอนที่ 99 ก ลงวันที่ 2 ตุลาคม 2545 โดยมีผลบังคับใช้เมื่อวันที่ 3 ตุลาคม 2545 ส่งผลให้กรมเชื้อเพลิงธรรมชาติ สังกัดกระทรวงพลังงาน มีฐานะเป็นหน่วยงานหลักที่เป็นแกนนำในการส่งเสริม และเร่งรัดการสำรวจและพัฒนาแหล่งเชื้อเพลิงธรรมชาติในประเทศ และส่งเสริมความร่วมมือด้านการสำรวจและพัฒนาแหล่งเชื้อเพลิงธรรมชาติ กับประเทศเพื่อนบ้าน เพื่อสร้างและรักษาความมั่นคงทางพลังงานของประเทศอย่างมีประสิทธิภาพและยั่งยืน ก่อนที่จะมีการปฏิรูประบบราชการเมื่อปี พ.ศ. 2545

กรมเชื้อเพลิงธรรมชาติ เป็นหน่วยงานระดับกรม มีหน้าที่หลักในภารกิจสำคัญ ด้านพลังงานของกระทรวงพลังงาน ตลอดระยะเวลาแห่งการดำเนินงานตั้งแต่ปี 2545 ได้ส่งเสริม สนับสนุน และเร่งรัดการจัดหาพลังงานด้วยการสำรวจและพัฒนาแหล่งเชื้อเพลิงธรรมชาติในประเทศพร้อมทั้งแสวงหาความร่วมมือด้านพลังงานกับประเทศเพื่อนบ้านด้วยความมุ่งมั่น