Kompleks itu memasok sepertiga bahan bakar di Irak dan pertempuran ini menyebabkan pasokan bensin diberikan dengan sistem penjatahan.
Kaum pemberontak, yang dipimpin oleh ISIS, terlebih dahulu sudah menguasai wilayah utara dan barat Baghdad, termasuk kota terbesar kedua Irak, Mosul.
Wartawan BBC Jim Muir di Irbil, Irak utara, mengatakan pengambilalihan kilang minyak ini penting jika kaum pemberontak ingin tetap mengkontrol area yang sudah mereka kuasai dan memasok Mosul dengan energi.
Mereka juga mengincar bendungan penting dekat wilayah Haditha dan menguasai semua perbatasan ke Suriah dan Yordania.
Juru bicara militan mengatakan kilang minyak di Baiji, provinsi Salahuddin, kini akan diurus oleh suku lokal setempat.
Dia juga mengatakan mereka akan terus mendekati Baghdad.
Sebelumnya, Menteri Luar Negeri Amerika Serikat John Kerry berjanji untuk "mendukung dengan intens dan berkelanjutan" usai bertemu dengan sejumlah politisi penting Irak di Baghdad.
Dia mengatakan ISIS adalah ancaman bagi eksistensi Irak dan beberapa hari ke depan merupakan momen yang kritis.
Simak breaking news dan berita pilihan kami langsung di ponselmu. Pilih saluran andalanmu akses berita Kompas.com WhatsApp Channel : https://www.whatsapp.com/channel/0029VaFPbedBPzjZrk13HO3D. Pastikan kamu sudah install aplikasi WhatsApp ya.