Сразу после прекращения действия японской нефтяной концессии и окончания Второй Мировой войны на Сахалине произошел резкий спад нефтедобычи. В связи с этим на дальнем острове была активизирована геологоразведка, что привело к открытию сравнительно крупных месторождений Тунгор, Колендо и Монги. Вся добытая нефть по трубопроводу Оха — Комсомольск-на-Амуре, завершенному в 1952 году, подавалась на материк.
С учетом «старых» месторождений Оха, Катангли и Восточный Эхаби, где применялись различные методы повышения нефтеотдачи, включая закачку в пласт горячей воды и перегретого пара, на протяжении трех десятилетий, вплоть до начала 90-х годов, на острове удерживалась полка добычи на уровне около 2,5 млн тонн нефти в год. Увеличить этот объем было невозможно — запасы, эксплуатируемые еще с дореволюционных времен, были практически исчерпаны.
Уже к концу 50-х годов сахалинским геологам стало ясно, что основные запасы углеводородов в этом регионе сосредоточены в прибрежной зоне Охотского моря. Первые шаги в изучении сахалинского шельфа на нефтегазоносность были сделаны в 1957 году Тихоокеанской комплексной геофизической экспедицией Академии наук СССР, которая выявила Одоптинскую антиклиналь, включающую Пильтун-Астохское поднятие. В 60-70-е годы на этом участке с берега под дно Охотского моря было пробурено несколько глубоких разведочных скважин с горизонтальным проложением.
Обнадеживающие результаты морских и прибрежных исследований послужили основой для переговоров СССР и Японии по совместной геологоразведке сахалинского шельфа. В 1972 году в Японии был создан специализированный консорциум Sakhalin Oil Development Company (Sodeco), а в 1975 году — подписано Генеральное соглашение между СССР и Японией, предусматривающее выделение крупных японских кредитов — порядка 150 млн долларов — на геологоразведочные нужды. Эти средства позволили советской стороне приобрести геофизическое оборудование для сейсморазведки и построить самоподъемную плавучую буровую установку «Оха».
В 1976 году Тихоокеанская морская экспедиция «Южморгео» в сотрудничестве с французской геофизической компанией CGG со специального сейсмо-судна Orion Arctic провела сейсморазведку северо-восточного шельфа Сахалина. Затем к работе подключились советские суда «Мирный», «Поиск», «Искатель», принадлежавшие Дальневосточному морскому геофизическому тресту. На основе полученных данных с арендованной у американцев плавучей буровой установки Borgsten Dolphin на структуре Одопту-море была пробурена поисковая скважина. 6 октября 1977 года скважина дала фонтан нефти дебитом 150 тонн в сутки. Так была открыта «морская» нефть Сахалина.
Через год аналогичным образом было открыто Чайвинское нефтегазоконденсатное месторождение. В течение следующих 15 лет были открыты Венинское, Лунское, Пильтун-Астохское, Изыльметьевское, Аркутун-Дагинское и Киринское месторождения. Почти все они были открыты разведочными скважинами, пробуренными легендарной буровой установкой «Оха», построенной в 1980 году на японской судоверфи Modec. Установка, принадлежавшая Дальневосточной морской нефтегазоразведочной экспедиции глубокого бурения, могла бурить шестикилометровые скважины на глубине море до 70 метров.
Сегодня большая часть открытых месторождений распределены по проектам «Сахалин-1» и «Сахалин-2», которые реализуются на основе соглашений о разделе продукции. Чайво, Одопту и Аркутун-Даги с совокупными запасами более 300 млн тонн нефти и около 500 млрд кубометров газа разрабатывает «Сахалин-1» с участием той самой Sodeco, а также «Роснефти», американской ExxonMobil и индийской ONGC Videsh. Консорциум добывает около 15 млн тонн нефти в год. Одна из эксплуатационных скважин проекта, пробуренная в 2017 году, установила мировой рекорд длины по стволу скважины — 15 тыс. метров, включая более 12 тыс. метров горизонтального участка.
Пильтун-Астохское и Лунское месторождения со сравнимыми запасами входят в проект «Сахалин-2» с участием «Газпрома», англо-голландской Royal Dutch Shell и японских Mitsui и Mitsubishi. Годовой объем добычи составляет 5,5 млн тонн нефти и газового конденсата, а также 11,5 млн тонн сжиженного природного газа, который производится на первом в России заводе СПГ.