Początki firmy Valvoline sięgają 1865 roku, kiedy to po podróży po Pensylwanii w USA doktor stomatologii John Ellis zafascynował się farmakologią. Jego początkowe działania skierowane były w stronę poszukiwań zastosowania w medycynie ropy naftowej. Podczas tych prac Dr Ellis zetknął się z wielkimi możliwościami, jakie wydobycie ropy naftowej dawało przemysłowi ciężkiemu. Wydobywana wówczas ropa była jednak dla nich zbyt tłusta i ciężka. Dr Ellis mimo, że był osamotniony w swych poszukiwaniach, głęboko wierzył iż pewnego dnia uda mu się stworzyć technologię pozwalającą na przetworzenie wydobywanej ropy w zwartą, smarującą substancję. Jego wysiłki i ciężka praca została zwięczona sukcesem - opracował recepturę oleju przeznaczonego do smarowania układu zaworowego w powszechnie stosowanych wówczas maszynach parowych. Kilka miesięcy później Dr Ellis wybudował w Binghamton pierwszą na świecie rafinerię, w której przetwarzano wydobytą ropę. Osiem lat później, w 1873 roku produkt ten nazywany pierwotnie Binghamton Cylinder Oil zarejestrowany został pod nazwą Valvoline. W krótkim czasie olej Valvoline stał się bardzo popularny i często stosowany przez wiele firm głównie przy budowie szlaków kolejowych. Rosnący popyt na olej przyczynił się do powstania dalszych rafinerii i filii firmy nie tylko w USA ale i w Londynie, Paryżu oraz Hamburgu.
Do sukcesu Valvoline niewątpliwie przyczyniły się nagrody zdobyte w 1876 roku na Wystawie Stulecia w Filadelfii oraz dwa lata później na Wystawie Wszechczasów w Paryżu. Sukcesy te sprawiły, że olej Valvoline kojarzony był z najwyższą jakością, czego dowodem były liczne listy z podziękowaniami i wyrazami szacunku nadsyłane przez klientów. Wtedy też pojawił się nieznany wcześniej problem piractwa, gdyż wielu "producentów" podszywało się pod markę Valvoline. Nie zaszkodziło to jednak firmie, która po trzydziestu latach istnienia, u progu nowego wieku miała już ugruntowaną i znaczącą pozycję na świecie.
W 1896 roku umiera twórca potęgi Valvoline Dr John Ellis, po którym firmę przejmuje syn i jednocześnie dotychczasowy szef sprzedaży W. Dixon Ellis. Aby poszerzyć wpływy i umocnić pozycję na rynku Dixon Ellis przyjmuje do spółki T. M. Leonarda co owocuje wybudowaniem kolejnych rafinerii. Rynek olejowy początku XX wieku to dla Valvoline nie tylko przemysł kolejowy, ale i rozwijające się przemysły: motoryzacyjny i lotniczy. Aby podołać nowym wyzwaniom i zwiększającym się zamówieniom firma przystępuje do budowy własnego rurociągu o długości 1200 mil. Był to wówczas najdłuższy rurociąg przebiegający przez Pensylwanię.
W 1930 roku, po 64 latach istnienia Valvoline, W. Dixon Ellis odsprzedaje firmę odnoszącemu duże sukcesy biznesmenowi E. W. Edwardsowi, który przyczynia się do dalszych sukcesów firmy. Rok później Valvoline kupuje Galena Oil Company of Pensylwania, firmę która specjalizowała się w produkcji olejów mineralnych używanych w kolejnictwie. Przystąpienie Stanów Zjednoczonych do II wojny światowej przyczynia się do opracowania dla potrzeb armii amerykańskiej środków antykorozyjnych Tectyl. W tym samym okresie po raz kolejny firma Valvoline staje się pionierem w branży olejowej opracowując pierwszy olej do silników diesla. Valvoline docenia także potęgę reklamy, w której gwarantuje zwrot kosztów zakupu oleju nieusatysfakcjonowanym klientom.
W 1944 roku firma Valvoline wchodzi w mariaż z innym pionierem rafinacji ropy naftowej, firmą Oil Freedom. Nowy partner posiadał rozwiniętą sieć ówczesnych stacji paliw, gdzie oprócz tankowania można było kupić także produkty olejowe. Gwałtowny rozwój motoryzacji w USA spowodował dalszą rozbudowę sieci stacji paliw. Rozpoczęto także modernizację istniejących stacji przez dobudowę sklepów i warsztatów, w których można było wymienić m. in. zakupiony olej silnikowy.
W 1950 roku Valvoline weszła w skład koncernu Ashland, w strukturze którego działa do dziś osiągając obroty roczne ponad 1 mld USD. Obecnie Valvoline posiada swoje filie w 140 krajach na całym świecie.