O Cenpes é um centro de pesquisa e desenvolvimento que tem como missão atender às demandas tecnológicas que impulsionam a Petrobras. Situado no campus da Ilha do Fundão da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), originou-se do antigo Centro de Aperfeiçoamento e Pesquisas de Petróleo (CENAP), estabelecido em 1955, em parceria com a antiga Universidade do Brasil (atual UFRJ), com o objetivo de desenvolver recursos humanos para incrementar as capacidades de compra de tecnologias e de utilização dos equipamentos. Essas atividades se desdobraram em pesquisa tecnológica. O êxito na modificação das condições técnicas da Refinaria Duque de Caxias (REDUC) para explorar o petróleo nacional, composto por óleo pesado, com excesso de nafta e gasolina, fortaleceu a atividade de pesquisa no país, contribuindo para que o Conselho de Administração da estatal aprovasse, em 1963, a constituição de um centro voltado exclusivamente para as atividades de pesquisa e desenvolvimento. Essa ação contrariou o Relatório Link (1961), contratado a uma equipe norte-americana chefiada pelo ex-gerente da Standart Oil, que desaconselhava a exploração de petróleo no Brasil, em função de suas jazidas concentrarem-se no escudo continental, em águas marítimas.
O centro foi efetivamente institucionalizado em 1966, rebatizado, em 1973, com o nome de Centro de Pesquisas da Petrobras e, em 1975, como Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello. Em seguida, estabeleceram-se as superintendências de Atividades de Pesquisa Industrial (1976), Engenharia Básica (1976) e Exploração e Produção (1979).
Os anos 1980 marcaram o grande salto tecnológico proporcionado pelo Cenpes, quando este desenvolveu tecnologia de ponta associada à prospecção de petróleo em águas profundas. Os resultados alcançados mostram a importância do Cenpes para o desenvolvimento da Petrobras. Se em 1980 a estatal produzia 182 mil barris/dia, dos quais 59% em terra e 41% no mar, no ano 2000 atingiu 1.531 mil barris/dia, dos quais 17% em terra e 73% no mar. É importante destacar o papel que desempenha a produção em águas profundas e ultraprofundas, que respondia por 1,7% do total de barris em 1987, 55% em 2000 e 75% em 2005.
Na década de 1980, o Cenpes investiu aproximadamente 0,7% do faturamento bruto da Petrobras, e 1% a partir de 1992. Entre os seus programas de pesquisa tecnológica destacam-se: o Programa Tecnológico Empresarial de Desenvolvimento em Exploração de Águas Ultraprofundas (Procap), criado em 1993, que alcançou 1.867 metros de profundidade na bacia de Roncador e planeja, nos próximos anos, a prospecção em 3 mil metros de profundidade; e o Programa de Desenvolvimento de Tecnologias Estratégicas de Refino (Proter), que desenvolve tecnologias para utilização de óleos pesados. A excelência do Cenpes é atestada pela conquista, em 1992 e 2002, do prêmio mais importante do setor petrolífero mundial – o Offshore Technology Conference.
O Cenpes contribui ainda com o desenvolvimento de tecnologias necessárias à prospecção e produção de gás e óleo nas reservas do pré-sal.