Помимо добычи нефти и газа предприятие занимается и переработкой углеводородного сырья. В состав ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» входят два мини-нефтеперерабатывающих завода (мини-НПЗ) ТПП «Когалымнефтегаз» и ТПП «Урайнефтегаз».
Когалымский мини-НПЗ построен в 1997 году. Мощность по нефтепереработке составляет 350 тыс. тонн в год. Выпускаемая продукция — автомобильные бензины АИ-92-К5 и АИ-95-К5 по ГОСТ 32513-2013, соответствующие 5 классу Технического регламента Таможенного Союза ТР ТС 013/2011, дизельное топливо ЕВРО по ГОСТ 32511-2013, соответствующее 5 классу Технического регламента Таможенного Союза ТР ТС 013/2011, топливо для реактивных двигателей марки ТС-1. В 2005 году на мини-НПЗ Когалыма введен в эксплуатацию второй пусковой комплекс — гидроочистки широкой фракции углеводородов и каталитического риформинга. В 2016 - установка изомеризации легких бензиновых фракций для увеличения октанового числа и снижения содержания ароматических углеводородов.
Мини-нефтеперерабатывающий завод в Урае построен в 1995 году, в октябре этого же года в эксплуатацию введена установка атмосферной перегонки нефти V-2000, в 1996 году - кислородоазотодобывающая станция, в 1997 году - установка каталитического риформинга VR-650, в 2001 году - блок производства битума. Для проведения процессов регенерации катализаторов гидроочистки и риформинга, а также для пуска установки риформинга после вскрытия реакторного блока в 2002 году произведен монтаж узла осушки водородсодержащего газа и регенерации катализаторов установки каталитического риформинга. В 2003 году введен в эксплуатацию узел охлаждения технологических потоков, в 2005 - система пенотушения для обеспечения пожарной безопасности. За период с 2017 по 2022 годы реализовано несколько проектов технического перевооружения с целью обеспечения промышленной безопасности объекта. Проектная мощность НПЗ - 146 тыс. тонн нефти в год. Выпускаемая продукция - автомобильный бензин АИ-92-К5 по ГОСТ 32513-2013, соответствующий 5 классу Технического регламента Таможенного Союза ТР ТС 013/2011, бензин автомобильный ЭКТО-92, вид 3 (АИ-92-К5) по СТО 000444-34-006-2005, фракцию дизельного топлива по СТО 45784016-002-2021, бензин-растворитель Нефрас-У по СТО 02-37-22.
Локосовский газоперерабатывающий комплекс вошел в состав предприятия в 2002 году. В 2004 году на его базе создано управление по переработке попутного нефтяного газа (УППНГ) территориально-производственного предприятия (ТПП) «Лангепаснефтегаз», а в 2005 году построен товарный парк с наливной эстакадой для отгрузки широкой фракции легких углеводородов, стабильного газового бензина и их последующей отправки потребителям в железнодорожных цистернах. В 2007 году в рамках реконструкции объекта ежегодный объем газа, принимаемого в переработку, увеличен с 1 до 2,1 млрд кубометров. В 2016 году на ГПЗ был реализован ряд проектов, направленных на повышение уровня промышленной безопасности. В 2017 году завершена реконструкция системы пожаротушения в цехе переработки газа. В 2021 году выполнено техническое перевооружение компрессорной станции сырьевого газа, в рамках которого электродвигатели сырьевых компрессоров были заменены на газотурбинные. Реализация данного мероприятия позволила существенно сократить потребление электроэнергии на Локосовском ГПЗ. В УППНГ производят сухой отбензиненный газ, широкую фракцию легких углеводородов, бензин газовый стабильный и пропан технический.