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 กรมเชื้อเพลิงธรรมชาติเป็นหน่วยงานระดับกองมีหน้าที่หลักในภารกิจสำคัญด้านพลังงานของกรมทรัพยากรธรณี กระทรวงอุตสาหกรรม การเปลี่ยนแปลงในครั้งนั้นทำให้มีกรมใหม่เกิดขึ้นอีก 2 กรม ได้แก่ กรมทรัพยากรน้ำบาดาล และกรมอุตสาหกรรมพื้นฐานและการเหมืองแร่