Lors de l'occupation de la zone libre, et à l'issue de la dissolution de l'armée de l'armistice (le 29 novembre 1942), le SEA fut transféré à Paris sous la dénomination de "Service des essences de l'État", à titre de service extérieur de la Direction des carburants.
Par ailleurs, en Afrique du Nord, à l'issue de la campagne de Tunisie, le groupe de ravitaillement en essences d'Afrique du Nord fut transformé en janvier 1943 en "Direction Générale du SEA" rattachée au département de la guerre. Étaient créées parallèlement trois directions régionales : Algérie, Tunisie et Maroc. En prévision des opérations-futures, outre l'approvisionnement, le problème majeur de la nouvelle Direction générale du SEA était de constituer des unités " essences " destinées à soutenir le Corps expéditionnaire français. Il fallait définir le système logistique à utiliser, trouver les ressources humaines nécessaires et former dans un temps très court des unités instruites et cohérentes.
Les premières unités créées, provenant des 26e et 27e régiments du Train, furent chargées de l'exploitation des dépôts. Puis, entre juillet 1943 et avril 1944, neuf autres unités furent mises sur pied : quatre compagnies de ravitaillement en essence (CRE) destinées au transport de produit, quatre compagnies de ravitaillement et d'exploitation d'essence (CREE) qui, en plus de la fonction transport, étaient en mesure d'assurer la gestion et l'exploitation de dépôts importants, une compagnie de distribution de carburant dont la mission était aussi de construire et d'exploiter les oléoducs et les réservoirs de campagne. Ces unités participèrent aux campagnes d'Italie, de France et d'Allemagne, et aux opérations de Corse et de l'île d'Elbe. Lors de la campagne de France, la fusion du Service des Essences métropolitain et de la Direction générale venant d'Alger se fit très rapidement, sous l'autorité de l'Ingénieur en chef Vieux, secondé par le Commissaire R. Labbe, afin de concentrer les efforts pour le soutien des forces engagées. Que ce soit lors de l'opération Dragoon sur les côtes de Provence, à laquelle participèrent les premiers éléments du SEA, pendant la remontée du couloir rhodanien, lors de la trouée de Belfort, pour la défense de Strasbourg ou durant la campagne d'Allemagne, la tâche du Service des essences a été rude, compte tenu du tonnage à distribuer chaque jour (800 tonnes) et de la complexité des transports. C'est ce que le général de Lattre de Tassigny a su reconnaître dans un ordre du jour daté du 16 juin 1945.
La réunification du service fut consacrée par l'ordonnance du 17 mars 1945, dont la physionomie peut être résumée de la façon suivante : c'est un service militaire commun chargé de ravitailler en tous lieux l'ensemble des forces militaires du pays. C'est aussi un service technique capable de conseiller le commandement dans le domaine pétrolier, et qui reçoit, stocke, transporte et distribue les produits pétroliers nécessaires aux armées. C'est enfin un service industriel qui a le souci du rapport coût-efficacité. Dans un but d'économie, son organisation fut conçue de façon concentrée. Elle ne comporte que trois directions territoriales, l'une au Nord, l'autre au Sud et la troisième en Afrique du Nord.