Fornecedora do combustível da gigante Williams até 2008 e atual responsável pelo fluído de câmbio, a Petrobras está encerrando o seu ciclo na equipe inglesa. Após o anúncio da aposentadoria de Felipe Massa, a estatal brasileira decidiu encerrar a parceria.
Na F-1, a estatal forneceu combustível e lubrificantes em 1981-1982 para a equipe Fittipaldi. Entre 1998 a 2008, patrocinou a equipe Williams e forneceu lubrificantes para a Jordan (2001-2002). Um novo contrato foi assinado com a Williams, pelo qual as duas empresas trabalharão em conjunto com a Mercedes a partir da temporada de 2015, para desenvolver um novo combustível automobilístico e lubrificantes.
Além da F-1, a Petrobras também patrocina/patrocinou equipes da Stock Car, Fórmula Truck, F-3 Sul-Americana e a CART Series.
Ainda na área de competições a motor, mantém equipe no famoso Rali Dakar desde 1987, nas categorias Caminhões, Carros e Motocicletas, sob a denominação de Equipe Petrobras Lubrax, a marca internacional da companhia mais utilizada no meio automobilístico. A mesma equipe também contabiliza participação em todas as edições do brasileiro Rally dos Sertões. Nas duas competições, coleciona diversas vitórias.
A empresa também conta com diversas ações de patrocínio nas áreas sociais, culturais e ambientais, tendo papel de destaque nas ações empresariais de responsabilidade social, no Brasil. Além dessas, a própria empresa patrocina o Campeonato Brasileiro de Futebol das Séries A e B desde 2011.
Ainda no futebol, a estatal foi a primeira patrocinadora do Clube de Regatas do Flamengo. Foi parceira do clube de 1984 até 2 de abril de 2009, quando o Flamengo oficializou a saída do patrocinador; esta foi a parceria mais longa do futebol brasileiro. Também patrocina o clube argentino Club Atlético River Plate, que, assim como o Flamengo, possui o nome do óleo Lubrax estampado em seu uniforme.
