Футбольная команда «Нефтехимик» была создана в середине 60-х годов на базе нижнекамского химкомбината, выступая лишь в республиканском первенстве. Выйдя во вторую лигу в январе 1991 года ФК «Нефтехимик» получил статус профессионального клуба, а первым президентом был Р. Т. Шияпов, в то время также занимавший должность директора завода БК химкомбината. Уже через год перед командой поставили задачу выйти в первую лигу чемпионата России, с которой нижнекамский коллектив справился. По ходу сезона 1992 года Н. Н. Гизатуллин сменил на посту президента клуба Р. Т. Шияпова. В том же году «Нефтехимику» удалось пробиться в 1/16 Кубка России. В сезоне 1993 года «Нефтехимик» сумел сохранить прописку во второй по силе лиге страны, а летом того же года в 1/16 финала Кубка России нижнекамцы на своем поле сыграли с московским «Спартаком» (0:5), в присутствии около 10-ти тысяч зрителей. С тех пор на футбол в Нижнекамске такое количество болельщиков не приходило.
Получив неофициальный статус «грозы авторитетов» на следующий сезон «Нефтехимик» установил лучшее достижение в своей истории – 6-е место по итогам первенства первой лиги России. Результат заставил задуматься о возможности выступить даже в высшей лиге российского футбола, поэтому сезон 1995 года был своего рода подготовкой к следующему первенству, в котором планировалось войти в тройку призеров, что позволило бы команде выступить в элитном дивизионе российского футбола.
Однако воплотить желаемое в действительное не удалось. Более того, в 1998 году команда вылетела во вторую лигу, а вернуться в первую смогли только через два года, установив при этом всероссийский рекорд, сыграв весь сезон 2000 года без поражений. Далее «Нефтехимик» на протяжении 4-х сезонов выступал в первой лиге, однако выше 11 места по итогам первенства не занимал. 2004-й год стал отправной точкой для возвращения команды во второй дивизион.
Следующие шесть лет в команде выступали в основном молодые футболисты. В частности, в 2007 году подписали соглашение о сотрудничестве «Нефтехимика» с «Рубином». Основная цель – подготовка кадров для первой команды республики, однако серьезные задачи по месту в турнирной таблице перед командой не ставились. Задачу вернуться в первую лигу (ФНЛ) поставили лишь в 2011 году. Тогда на пост президента клуба назначили Т. А. Шигабутдинова, а Н. Н. Гизатуллин стал директором команды.
Уже с восьмого тура первенства команда захватила лидерство и не отдала первую строчку в турнирной таблице до завершения сезона. Команду выполнила задачу, а в ФНЛ татарстанский коллектив укрепили несколько футболистов «Рубина», которые ныне успешно выступают в премьер-лиге и еврокубках (И. Портнягин, С. Кверквелия, Р. Камболов и другие). В сезоне 2012/13 «Нефтехимик» показал результат 18-ти летней давности, снова заняв 7-е место по итогам первенства ФНЛ. По ходу того сезона футболисты с берегов Камы не раз оказывались в зоне стыковых матчей с клубами премьер-лиги за право выхода в сильнейший чемпионат страны, однако несколько осечек в конце первенства отодвинуло подопечных Дмитрия Огая на седьмое место.
В сезоне следующем сохранить прописку в ФНЛ не удалось, поскольку прежних лидеров команды «разобрали» клубы премьер-лиги, а сбалансированный состав для сохранения прописки в ФНЛ собрать не успели. В итоге вновь вторая лига, которая ныне называется первенство команд ПФЛ.
После 8-го места в сезоне 2014\15 перед коллективом в очередной раз была поставлена задача возвращения во второй эшелон российского футбола – ФНЛ. Под выполнение в Нижнекамск вновь пригласили Рустема Хузина, инфраструктура клуба претерпела значительные реконструкции в лучшую сторону, а в состав команды привлекли футболистов с опытом выступления в премьер-лиге. В 2015 году «Рубин» возглавил мэр Казани Ильсур Метшин, а генеральным директором клуба стал бывший футболист и функционер «Нефтехимика» Ильгиз Фахриев. Таким образом, плотное сотрудничество между клубами возобновилось. В подтверждение этого, 26 октября «Нефтехимик» сыграл матч первенства ПФЛ на 45-тысячном стадионе «Казань-Арена». За игрой наблюдали более 15-ти тысяч зрителей.