De Petroleumkaai is gelegen op de rechteroever van de Schelde, helemaal in het zuiden van de stad. De kaai maakt deel uit van de havenuitrusting van Petroleum Zuid, een terrein voor petroleumindustrie dat in 1900-1902 werd aangelegd op de grens met Hoboken. Behalve het nivelleren van het terrein, het verdelen van het terrein in kavels, het aanleggen van straten en afwateringsgrachten, werd in 1900 meteen begonnen met de aanleg van een verharde kade en bijhorende petroleumpier. Aan deze kade met pier meerden de petroleumtankers aan ter bevoorrading van alle bedrijven op Petroleum Zuid. De Petroleumkaai loopt van de grens met Hoboken tot aan het vroegere veer naar Burcht, ter hoogte van de straat Oude Veer. De straatnamen op Petroleum Zuid, allemaal verwijzend naar de petroleumindustrie, werden pas in 1939 gegeven.

Het noordelijke deel van de Petroleumkaai, van de pier tot aan Oude Veer, is verhard. Ten zuiden daarvan, tot aan de grens met Oude Veer, loopt een dijk langs de kaai, waardoor het zicht op de Schelde wordt ontnomen. Vanaf de Schelde bepalen de installaties op de Petroleumkaai het zicht op Petroleum Zuid. Er is bouwkundig en industrieel-archeologisch erfgoed te zien uit elke fase van de ontwikkeling van Petroleum Zuid.

De petroleumpier uit 1900-1902 domineert de kaai, maar de houten aanlegsteiger van 1934 en het vlottende ponton van 1947 zijn ook bewaard. Het unieke karakter van de petroleumpier wordt bepaald door het feit dat pijpleidingen voor de rechtstreekse verbinding zorgden met de petroleumtanks op het bedrijventerrein. Oorspronkelijk waren de leidingen ondergronds, later zijn ze omwille van de bodemvervuiling bovengronds geïnstalleerd. Dit tracé van bovengrondse pijpleidingen bepaalt in belangrijke mate het zicht van Petroleum Zuid. Vanaf de Petroleumkaai lopen deze leidingen over de Benzine- en Naftaweg, naar de Lakweg en de Mazoetweg.

De gebouwen en installaties op lot A, ter hoogte van de petroleumpier, waar anno 2011 Q8 gevestigd is, dateren net als de petroleumpier uit de beginjaren van Petroleum Zuid (zie Petroleumkaai nr. 7). Het Lot C, aan het oostelijke uiteinde van de Petroleumkaai, werd in 1913 in gebruik genomen en bewaart bebouwing uit het interbellum (zie d'Herbouvillekaai nr. 103). Lot D, het meest westelijke lot van Petroleum Zuid, werd in 1934 ingericht als laatste uitbreiding van het industrieterrein. De meeste gebouwen uit deze periode werden vervangen door naoorlogse infrastructuur (zie Petroleumkaai nr. 11).