早在上世纪八十年代，上海石化就开展了相关调研和研究工作。2007年，中国石化决策部署碳纤维研发和产业化攻关工作，将项目落在了上海石化。
此后，在中国石化、上海市的大力支持下，上海石化与数十家科研院所、高校、企业等一起，走出了一条以企业为主体的“产、学、研、用”相结合的协同创新之路，科研攻关快速推进：2008年11月，建成中试装置；2009年3月，成功研制出12K原丝；2012年9月，上海石化年产3000吨原丝、1500吨碳纤维项目一阶段工程建成投产，到2020年底二阶段工程中交，形成了每年1500吨碳纤维的工业化生产能力。
上海石化碳纤维生产线
2016年5月，上海石化开展了碳纤维48K大丝束原丝工业化研究试验，并在两年之后的2018年1月，开发了大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化炭化工艺技术，形成了千吨级PAN基48K大丝束碳纤维成套技术工艺包的技术基础，同年3月，成功试制出了国内真正意义上的48K大丝束碳纤维，并贯通工艺全流程。从12K到48K的成功突破，标志着上海石化碳纤维技术从量变到质变的飞跃，不仅填补了国内空白，而且达到了国际先进水平。
2020年8月28日，上海石化先进材料创新研究院揭牌成立。这是公司在科技创新上推出的重要举措，将有力推动企业产业结构转型升级，助力打造长三角区域中高端新材料产业基地。新成立的创新研究院，其三大功能之一就是开展核心技术研究，着力形成碳纤维工程化成套技术，集中力量推进关键核心技术的攻关和产业创新。2021年1月，总投资35亿元的上海石化“2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年48K大丝束碳纤维”项目开工建设。
2022年，上海石化首套大丝束碳纤维生产线实现中交，公司原丝、碳纤维产能将大幅度提升。按照项目的总体规划，项目一期工程计划建成原丝产能1.2万吨/年，碳纤维产能6000吨/年；二期工程计划建成原丝产能1.2万吨/年，碳纤维产能6000吨/年，预计2024年完成。
上海石化全力以赴做强碳纤维及其复合材料业务
2023年初，上海石化24K碳纤维产品成功在该公司1500吨/年碳纤维生产装置批量化生产，实现产量、质量双达标。随着24K碳纤维产品的加入，上海石化向实现通用级、大丝束、小丝束、高性能等系列碳纤维产品全面布局再迈出坚实一步。