Créée en 1924 sous l’impulsion du gouvernement Poincarré pour défendre les intérêts pétroliers de la France au Moyen-Orient, la Compagnie Française des Pétroles ne pouvait se cantonner bien longtemps aux seules importations de brut en France. Pour élargir sa mission au raffinage, la CFP fonde en 1929 la Compagnie Française de Raffinage avec la participation de l’Etat (10%) et de plusieurs sociétés françaises de distribution indépendantes (34% - dont 18,70% pour la société havraise Desmarais Frères) le reste du capital (56%) étant détenu par la CFP.

A peine constituée, la nouvelle société programme d’emblée la construction de deux raffineries : la Raffinerie de Provence et la Raffinerie de Normandie toutes deux implantées près des deux grands ports d’importation de pétrole que sont Marseille et Le Havre. L’implantation de cette dernière sur la commune de Gonfreville l’Orcher à 10 kilomètres du Havre, sur un terrain de 150 hectares concédé à la CFR par le Port Autonome du Havre faisant office autrefois de champ de tir pour l’usine d’armements Schneider, est autorisée par arrêté préfectoral du 22 avril 1931. La Commission départementale des sites et monuments naturels de la Seine-Inférieure, consultée préalablement sur les nuisances que pourraient générer l’installation d’une telle usine sur le « paysage remarquable du site de la vallée de Seine que l’on découvre depuis la terrasse du château d’Orcher », avalise le projet en 1930. Selon elle, une raffinerie de pétrole « ne comporte pas de haute cheminée vomissant de noirs tourbillons de fumée » et donc ne constitue « pas un inconvénient esthétique » d’autant que celle-ci « n’apparaîtra que comme un point dans le vaste horizon embrassé de la terrasse du château sur l’estuaire de la Seine ». Un tel argumentaire montre à la fois l'ignorance de cette commission en matière d'industrie pétrolière et son impossible neutralité face aux raisons économiques d'un tel projet, car précise-t-elle « la société de raffinage qui doit s’installer à cet endroit est contrôlée par l’État qui participe à ses bénéfices et qui a lui-même mis à sa disposition les terrains domaniaux sur lesquels l’usine sera construite » de sorte que « l’opération présente (…) un caractère d’intérêt national ».

Le chantier de construction démarre en juin 1931. La viabilisation du terrain nécessite de lourds travaux de terrassement que la CFR confie à la Société Générale d’Entreprises. Pour éviter les inondations et faciliter le drainage du sol, le terrain est surélevé de 40 cm et équipé de 15 km de caniveaux maçonnés. Pour renforcer la résistance du sol, des déchets de carrière, acheminés par le canal de Tancarville, sont utilisés comme fondation des réservoirs et 3000 pieux en béton sont battus dans le sol pour assurer la stabilité des installations restantes, appareils de production et bâtiments. Pour le ravitaillement de l’usine en pétrole brut, des canalisations souterraines sont installées jusqu’aux réservoirs de la Compagnie Industrielle Maritime situés sur l’avant-port du Havre. Pour les expéditions, des équipements portuaires exécutés par la société Thireau-Morel sont aménagé sur le canal de Tancarville élargi à l’occasion et un réseau de 10 km de voies ferrées est installé et raccordé à la ligne Paris-Le Havre. Le 15 septembre 1932, après 15 mois de chantier, les travaux préalables sont achevés. En 1932, par ailleurs, la CFR lance la construction au nord du canal, sur la pente de la falaise de la petite cité des Côtes-Blanche destinée au personnel des services d’urgence.

La conception de l’usine est réalisée sous les ordres d’Emile Miguet, premier directeur de la CFR. La raffinerie de Normandie est mise en service le premier mai 1933 avec une capacité annuelle de traitement de 800 000 T correspondant à sa première étape de construction. Elle permet la production d'essence pour véhicules légers et poids lourds, de pétrole lampant, de gas-oil et de fuel à partir de brut irakien essentiellement. Cette capacité est rapidement portée à 1 500 000 T au terme de la seconde étape de construction. L'usine peut désormais produire une gamme diversifiée de solvants, paraffines, huiles de graissage, asphaltes...

La seconde guerre mondiale interrompt brutalement l’activité. En Juin 1940, devant l’arrivée des troupes allemandes, l’armée française ordonne la destruction du parc de stockage de la raffinerie. L’incendie qui embrase les cuves se propage aux installations. La seule unité de distillation encore utilisable est démontée par l’occupant et expédiée à destination du Caucase où elle n’arrivera jamais.

A l’issue du conflit, l’usine est à l’image du Havre un champ de ruines qu’il faut reconstruire de toutes pièces. A partir du 9 juillet 1946 l’usine est progressivement remise en route et retrouve en 18 mois sa capacité d’avant-guerre. Cependant l’accroissement considérable de la consommation des produits pétroliers -multipliée par 12 en France entre 1950 et 1974- exige d’importantes extensions. La raffinerie se dote en 1950 et 1972, de deux nouvelles unités de distillation qui vont durant ce laps de temps multiplier par 7 la capacité annuelle de l’usine. De 3,4 MT par an en 1950, celle-ci atteint le chiffre record de 23,3 MT en 1972. Les transformations portent également sur le perfectionnement de l’appareil de production. Ainsi, trois unités de cracking catalytique sont installées en 1952, 1965 et 1970 pour remplacer les anciennes installations thermiques. En 1958, le centre de recherche est inauguré. Les techniques qui y sont développées portent autant sur le raffinage que sur la pétrochimie domaine dans lequel commence à s’investir la CFR. Les usines Pétrosynthèse et Manolène implantée en 1959 à proximité de la Raffinerie de Normandie sont des émanations de la CFR. Cette période correspond également à la consolidation du réseau de distribution de la CFR par la création en 1954 de la marque Total qui deviendra en 1985 celle du raffineur.

Pour répondre à la demande croissante en carburants moins polluants, une unité d’isomérisation des essences permettant d'améliorer l'indice d'octane par reformage est mise en service en 1991. Puis en 1996 une unité de biocarburant est installé pour produire, à partir de l’éthanol agricole et de l’isobuthylène issu du craqueur catalytique, un biocarburant au nom scientifique d’Ethyl Tertio Butyl Ether (ETBE) qui peut être incorporé dans l’essence jusqu’à un taux de 15 %. Sa capacité de production est de 59 000 t par an. De même, pour réduire son impact sur l'environnement, la raffinerie est équipée en 2004 d'une centrale de cogénération pour remplacer les trois centrales thermiques existantes. Cet équipement, économique et moins polluant, est capable de fournir simultanément l'énergie électrique et la chaleur dont l'usine a besoin.

La Raffinerie de Normandie appartient aujourd’hui au groupe TotalFinaElf. Le pétrole qui y est traité provient pour l’essentiel de la Mer du Nord et du Moyen Orient. Avec un volume de 16 millions de tonnes d’hydrocarbures raffinés chaque année (chiffre 2006), elle constitue la plus importante des raffineries françaises, assurant à elle seule 20% de la consommation nationale. Elle emploie près de 1 200 personnes auxquelles s’ajoutent les 350 employés du centre de recherche.