Le Kazakhstan possède un potentiel pétrolier considérable. On trouve deux petits bassins pétroliers dans le centre du pays, et un sur la rive est de la mer Caspienne, mais c'est le nord de cette dernière qui offre la principale province pétrolière : une vaste marge continentale chargée par des roches sources siluriennes, présentant trois gisements super-géants : Tengiz (le seul en exploitation), Kashagan et Kurmangazy, et nombres de gisements moindres.
Tengiz (de 6 à 9 ; Gbbls récupérables) a été découvert en 1979, mais la teneur en soufre extrême (16 ; %) de son pétrole a mis en échec les tentatives soviétiques pour l'exploiter. Après la chute de l'URSS, différentes compagnies internationales s'intéressèrent au Kazakhstan, dont Chevron qui reprit le projet et finit par surmonter les difficultés techniques. Kashagan, découvert en l'an 2000, offre au moins 9 ; Gbbls de réserves, ce qui en fait incontestablement le plus grand gisement nouveau dans le monde depuis au moins 20 ans. Kurmangazy, un super-géant de 7 ; Gbbls sous la frontière russo-kazakh, sera bientôt mis en production et partagé entre les deux pays. Tout près de la frontière russe, rattaché au système Volga-Oural et non à la Caspienne, on trouve l'important gisement de gaz à condensats de Karachaganak.
Le pays possèderait de 50 à 75 ; Gbbls de pétrole (réserves + exploration), soit le deuxième potentiel pétrolier inexploité au monde (après l'Irak). Il prévoit produire 2,3 ; Mbbls/j en 2010 et 3,5 en 2015. À cela s'ajoute un fort potentiel gazier (plus de 10 Gbep). Le secteur russe, à l'ouest de la Caspienne, est activement exploré et a donné un nouveau gisement de 600 ; Mbbls en 2006.
La mise sur le marché mondial du pétrole kazakh est plutôt lente, du fait de l'enclavement géographique du pays (qui réclame de lourds investissements en oléoducs pour relier les gisements et les marchés), de difficultés techniques (liées entre autres à la teneur en soufre) et de problèmes politiques. Plusieurs oléoducs sont en construction ou en projet, dont un vers la Chine.