Năm 2007, Trịnh Xuân Thanh được điều về làm Phó Tổng giám đốc Tổng công ty CP Xây lắp dầu khí Việt Nam (PVC), rồi trải qua các chức vụ TGĐ, Chủ tịch HĐQT PVC đến tháng 9 năm 2013 trước khi được điều về Bộ Công thương.
Trong thời điểm Trịnh Xuân Thanh làm Chủ tịch PVC, vào năm 2012 Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam (PVN) đã cử 2 đoàn thanh – kiểm tra tại Tổng công ty này. Kết luận của các đoàn kiểm tra cho thấy con số thua lỗ khi đó khoảng 1.000 tỷ đồng, chủ yếu do việc đầu tư ồ ạt vào 11 dự án bất động sản và trích lập dự phòng rủi ro với các khoản nợ xấu.
Theo kết luận của Ủy ban Kiểm tra Trung ương: Trong thời gian từ 2007-2013, Trịnh Xuân Thanh với các cương vị là Phó Bí thư Đảng ủy, Tổng Giám đốc, Bí thư Đảng ủy, Chủ tịch Hội đồng quản trị Tổng công ty PVC, dù đã có kiến nghị, cảnh báo của các cơ quan thanh tra, kiểm toán về tình hình thua lỗ và tiềm ẩn thua lỗ, nhưng Trịnh Xuân Thanh và Ban Thường vụ Đảng ủy, Hội đồng quản trị, Ban Tổng giám đốc, Ban Kiểm soát PVC đã thiếu trách nhiệm, buông lỏng lãnh đạo, quản lý điều hành, thiếu kiểm tra, giám sát, làm trái các quy định của pháp luật về quản lý kinh tế.
Trịnh Xuân Thanh đã để xảy ra nhiều sai phạm và thua lỗ gần 3.300 tỷ đồng (giai đoạn 2011-2013), nhiều tổ chức, cá nhân trong Tổng Công ty bị kỷ luật và xử lý hình sự.
Tuy nhiên, sai phạm tại PVC còn nằm ở chỗ Tổng Công ty và các công ty thành viên nhận các gói thầu, sau đó bán lại gói thầu cho các đơn vị khác, dẫn đến việc các dự án bị đình trệ. Điển hình là năm 2009, Trịnh Xuân Thanh chủ trương thành lập CTCP Thi công cơ giới và lắp máy dầu khí (PVC-ME) với số vốn điều lệ 500 tỉ đồng, trong đó PVC giữ vị trí cổ đông sáng lập với tỷ lệ góp vốn 40%. PVC-ME với hoạt động chính là xây dựng hạ tầng, làm nền móng, gia công cơ khí. Tuy nhiên, do năng lực yếu kém, PVC-ME một mặt nhận công trình, rồi cho nhà thầu phụ thầu lại, ở giữa ăn hoa hồng nên công trình thi công không đến nơi đến chốn, gây thất thoát hàng trăm tỉ đồng.
Ngày 11/8/2015, TAND TP Hà Nội xét xử sơ thẩm vụ án “cố ý làm trái các quy định của nhà nước về quản lý kinh tế và thiếu trách nhiệm gây hậu quả nghiêm trọng” xảy ra tại PVC-ME. Trong số bị can bị truy tố về các hành vi trên thì có tới 13/15 bị can thuộc PVC-ME.
Theo kết luận của các cơ quan chức năng, đến năm 2012, tại PVC-ME đã để xảy ra thua lỗ với khoản tiền hơn 576 tỉ đồng, dẫn đến mất toàn bộ vốn chủ sở hữu, chưa kể những khoản nợ khổng lồ lên tới hàng trăm tỉ đồng. Thua lỗ thất thoát tại PVC-ME đã cộng thêm phần tiêu cực vào việc thua lỗ 3.300 tỉ đồng tại PVC.
Thanh tra Chính phủ phát hiện, trong năm 2011, PVN đã không qua đấu thầu mà có chủ trương chỉ định thầu các dự án của PVN, giao cho các đơn vị trong ngành thực hiện. PVC được giao phần lớn các công trình, dự án với tư cách tổng thầu hoặc nhà thầu đứng đầu tổ hợp. Sau khi được chỉ định thầu, PVC lập tức chỉ định cho các công ty con hoặc chia nhỏ gói thầu để bán thầu cho các doanh nghiệp ngoài ngành thi công.
Trong đó, riêng gói thầu Dự án Nhà máy nhiệt điện Thái Bình 2 ở huyện Thái Thuỵ, Thái Bình do PVN làm chủ đầu tư, và PVC làm tổng thầu EPC, tổng mức đầu tư dự án trên 34.000 tỉ đồng. Dự án dự kiến hoàn thành vào năm 2015, nhưng đến nay vẫn đang dang dở. Tiếp đến là Dự án Nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1, huyện Châu Thành, Hậu Giang, được khởi công ngày tháng 5/2015, do PVN làm chủ đầu tư, Lilama làm tổng thầu EPC, PVC cũng nhận được 2 gói thầu trị giá hơn 3.000 tỉ đồng theo cơ chế chỉ định thầu.
Tuy nhiên, sau khi nhận được các gói thầu khủng mà không phải qua đấu thầu, PVC lập tức chia nhỏ các gói thầu này cho các công ty con thực hiện bằng các hợp đồng ký với các đơn vị thành viên. Cụ thể, với dự án nhiệt điện Sông Hậu, PVC đã ký hợp đồng với các nhà thầu phụ để triển khai các gói thầu như CTCP Xây dựng công nghiệp và dân dụng dầu khí (PVC-IC); CTCP Đầu tư và thương mại dầu khí Sông Đà (PVSD), bao gồm gói thầu thi công xây dựng các hạng mục thuộc nhà máy chính, bãi thải xỉ…, tổng giá trị gần 1.400 tỉ đồng. Trước đó, ngày tháng 6/2015, PVC ký hợp đồng các gói thầu thuộc dự án nhà máy Nhiệt điện Sông Hậu 1 với CTCP Đầu tư và Xây dựng dầu khí Phú Đạt (PVC Phú Đạt), Công ty TNHH Băng Dương (BDC), CTCP Địa Kỹ thuật Việt Nam (GEOVIETNAM).
Cũng trong thời gian này, PVC và các nhà thầu phụ là PVC-MS, CTCP Xây lắp đường ống bể chứa dầu khí (PVC-PT) đã ký hợp đồng thi công 2 hạng mục Dự án Nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1, với tổng giá trị gần 470 tỉ đồng…
Trước những sai phạm xảy ra tại PVC, tại cuộc họp tổng kết năm 2013, HĐTV Tập đoàn Dầu khí VN đã họp thống nhất kỷ luật ban lãnh đạo PVC bằng hình thức cho thôi chức vụ với Chủ tịch và Tổng giám đốc PVC khi đó là ông Trịnh Xuân Thanh và ông Vũ Đức Thuận. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa thể lý giải vì sao Trịnh Xuân Thanh có thể qua mặt các cơ quan chức năng để leo cao lên Bộ Công thương, rồi làm Phó Chủ tịch UBND tỉnh Hậu Giang.
Tại Đại hội cổ đông thường niên năm 2016, Chủ tịch PVC Bùi Ngọc Thắng cho biết, khoản 3.300 tỷ đồng của Tổng công ty này vẫn “đóng băng” tại các khoản đầu tư tài chính, không tạo ra lợi nhuận, chưa kể còn nhiều khoản phải trích lập dự phòng do giá cổ phiếu giảm, thu hồi công nợ không thu được.