PETRONAS mempunyai lebih daripada 100 anak syarikat dan sekitar 40 syarikat usahasama di mana syarikat ini mempunyai sekurang-kurangnya 50% saham dalam syarikat itu. Walaupun syarikat ini sedang mempertimbangkan untuk menyenaraikan lebih banyak anak syarikat, setakat ini PETRONAS telah menyenaraikan sekurang-kurangnya 3 anak syarikatnya di Bursa Malaysia.

PETRONAS Dagangan Berhad

PETRONAS Dagangan terlibat dalam pengedaran dan penjualan produk petroleum siap dan operasi stesen untuk pasaran tempatan. Syarikat ini mempunyai lebih daripada 800 stesen minyak di seluruh Malaysia pada Julai 2007[35] dan terus meningkat kepada 870 stesen pada Januari 2008.[36]

Syarikat itu juga telah bekerjasama dengan syarikat makanan dan minuman tempatan, bank-bank dan syarikat-syarikat pengangkutan untuk menyediakan perkhidmatan yang lebih baik di stesen minyak mereka. Syarikat termasuk McDonalds, Kentucky Fried Chicken, Dunkin' Donuts, Konsortium Transnasional Berhad, Maybank, dan CIMB Bank.

PETRONAS Gas Berhad

Petronas Gas terlibat dalam penyediaan pemprosesan gas dan penghantaran perkhidmatan kepada PETRONAS dan pelanggan sebagai sebuah syarikat pemprosesan. Memiliki dan mengendalikan Paip Gas Semenanjung yang 2550 kilometer panjang dan berjalan dari Kerteh di Terengganu ke Johor Bahru di Selatan dan Kangar di Utara Semenanjung Malaysia.[37]

MISC Berhad

MISC dalam pemilikan kapal, pengendalian kapal dan logistik lain dan perkhidmatan dan aktiviti pengangkutan maritim. Kini mempunyai armada kapal pengangkutan LNG terbesar.

KLCC Properties Berhad

KLCC Properties terlibat dalam pembangunan dan pengurusan projek Pusat Bandaraya Kuala Lumpur yang merangkumi Menara Berkembar Petronas, Menara Exxon Mobil dan Taman KLCC. Ciri-ciri lain di bawah seliaannya ialah Kompleks Dayabumi yang terletak berhampiran Dataran Merdeka.

Petronas Chemicals

PETRONAS Chemicals ialah syarikat terbaru untuk disenaraikan kepada umum. IPO itu telah dilakukan pada 26 November 2010 dengan peningkatan pelabur sekitar AS $ 4.40 bilion, berkesan menjadi salah satu latihan IPO terbesar di Asia Tenggara.[38]

Perniagaannya ialah pengeluar petrokimia terbesar dan penjual di Asia Tenggara. Produk termasuk olefin, polimer, baja, metanol dan bahan kimia asas lain dan produk derivatif.[39]

Malaysian Marine and Heavy Engineering

MMHE telah disenaraikan pada 29 Oktober 2010 dengan MYR 1 bilion yang diperoleh pada latihan IPO.

Perniagaan membina struktur luar pesisir untuk aplikasi minyak dan gas, membantu membaiki kapal besar dan menukar saluran ke dalam penyimpanan pengeluaran dan pemunggahan Terapung dan FSO.

Anak-anak syarikat utama lain

Sebahagian daripada anak-anak syarikat utama adalah:-

• Petronas Carigali Sdn Bhd – Cabang penerokaan Hidrokarbon utama
• E&P O&M Services Sdn Bhd (EPOMS) – Perkhidmatan Penyelenggaraan Minyak dan Gas – Cendor Fasa 2 FPSO project, Bertam, Sepat, Layang, Gumusut-Kakap.
• PETRONAS Carigali Overseas Sdn Bhd – Cabang penerokaan hidrokarbon bertujuan untuk mencari blok baru di kawasan antarabangsa
• PETRONAS Research Sdn Bhd – Mengendalikan penyelidikan dan pembangunan
• MITCO Sdn Bhd – Pemasaran Antarabangsa bagi aset bukan minyak
• Petronas Fertiliser Kedah – Mencipta pembajaan urea
• PETRONAS Methanol (Labuan) Sdn. Bhd. (PMLSB) – Pelantar Metanol

Yang lain termasuk PETRONAS Assets Sdn Bhd; PETRONAS Maritime Services Sdn Bhd; PETRONAS Trading Corp. Sdn Bhd; PETRONAS Argentina S.A.; PETRONAS Australia Pty Ltd.; PETRONAS Thailand Co. Ltd.; PETRONAS Energy Philippines Inc.; PETRONAS Cambodia Co. Ltd.; PETRONAS Technical Services Sdn Bhd; PETRONAS Group Technical Solutions Sdn Bhd; PETRONAS South Africa Pty Ltd.; PETRONAS India Holdings Company Pte Ltd.; PETRONAS China Co. Ltd.; PETRONAS International Corp. Ltd.; PETRONAS Marketing Thailand Co. Ltd.; Myanmar PETRONAS Trading Co. Ltd.; PETRONAS Marketing (Netherlands) B.V. dan Indianoil Petronas.