Trong những ngày cha P. Marques và Alexandre de Rhodes (Đắc Lộ) chờ chúa Trịnh chinh phạt chúa Nguyễn ở Đàng Trong trở về Thăng Long, hai cha đã giới thiệu Tin Mừng Đức Kitô cho người dân ở Thần Phù (Hảo Nho) vào cuối tháng 5 đến giữa tháng 6-1627, đặt khởi điểm cho việc rao giảng và sống Tin Mừng tại vùng Phát Diệm. Từ năm 1631, các cha dòng Tên thay nhau coi sóc, năm 1670 có thêm các cha thuộc Hội Thừa sai Paris.
Từ năm 1659, Toà Thánh thành lập giáo phận Đàng Ngoài, năm 1679 lập thêm giáo phận Đông và Tây, vùng đất giáo phận Phát Diệm ngày nay thuộc giáo phận Tây Đàng Ngoài do Đức cha Jacques de Bourges coi sóc. Khi đó Phát Diệm có đông giáo hữu tại các cư sở, giáo xứ do các cha dòng Tên và Hội Thừa Sai Paris phục vụ. Công đồng Bắc Hà họp lần đầu tiên tại Phố Hiến 14-2-1670, được Đức Clemens X phê chuẩn ngày 14-12-1673, điều thứ ba ghi lại: “Thầy cả Philiphê Nhiêu sẽ làm phúc xứ Thanh Hoá Thượng” (một phần đất thuộc Phát Diệm ngày nay).
Theo báo cáo của Đức cha Bourges, năm 1707-1712, các cha dòng Tên phục vụ tại vùng Phát Diệm là 34 nhà thờ và nhà nguyện với 4.540 giáo hữu.
Ngày 27-3-1846, Đức Gregorius XVI ký sắc lệnh phân chia giáo phận Tây Đàng Ngoài thành 2 giáo phận, một vẫn giữ tên cũ giáo phận Tây và giáo phận mới tên Nam. Vùng đất Phát Diệm (có 4 xứ với số giáo hữu: Phúc Nhạc 10.600, Yên Vân 1.598, Bạch Bát 3.482, và Đồng Chưa 4.000), thuộc giáo phận Tây do Đức cha P.A. Retord Liêu coi sóc.
Năm 1875-1899, cụ Sáu Trần Lục và giáo dân xây dựng 10 công trình đồ sộ tại khu vục nhà thờ chính toà ngày nay. Đây là công trình kiến trúc Á Đông độc đáo nhất của Giáo hội Việt Nam còn tồn tại.
Năm 1895, Toà Thánh chia giáo phận Tây thành hai giáo phận, một vẫn giữ tên cũ giáo phận Tây, giáo phận mới lấy tên gọi giáo phận Đoài (sau này là Hưng Hoá). Phần đất giáo phận Phát Diệm thuộc giáo phận Tây do Đức cha P.M. Gendreau Đông coi sóc.
Ngày 2-4-1901, Đức Lêô XIII, ban chiếu thư chia giáo phận Tây thành hai: giáo phận Tây sau này là Hà Nội, giáo phận mới lấy tên gọi giáo phận Thanh gồm tỉnh Ninh Bình, Thanh Hoá và Châu Lào, do Đức cha Alexandre J.P. Marcou Thành coi sóc. Khi mới thành lập, giáo phận gồm: 48 linh mục Việt, 21 thừa sai Pháp, 112 thầy giảng, 18 đại chủng sinh, 145 tiểu chủng sinh và 85.000 giáo dân.
Ngày 3-12-1924, các giáo phận được đổi tên theo địa bàn hành chính, nơi đặt toà giám mục, nên giáo phận Thanh đổi thành giáo phận tông toà Phát Diệm.
Năm 1932, xét thỉnh nguyện của Đức cha Marcou Thành, Toà Thánh lấy một phần đất thuộc giáo phận Phát Diệm để thành lập giáo phận mới lấy tên giáo phận Thanh Hoá.
Ngày 11-6-1933, Đức Piô XI đặt Đức cha G.B. Nguyễn Bá Tòng là giám mục người Việt Nam đầu tiên coi sóc giáo phận tông toà Phát Diệm, khởi điểm cho Hàng Giáo phẩm Việt Nam.
Ngày 27-12-1943, khi Đức cha G.B. Nguyễn Bá Tòng từ chức, nghỉ hưu, Cha Gioan Maria Phan Đình Phùng được tấn phong giám mục và là Đại diện Tông toà GP. Phát Diệm. Nhưng chỉ sau 5 tháng, ngài đột ngột qua đời tại Dòng Châu Sơn ngày 28-5-1944 ở tuổi 53.
Trong tình thế bất ngờ này, Toà Thánh lại Đức cha G.B. Nguyễn Bá Tòng làm Giám quản Giáo phận hơn 1 năm. Đến ngày 25-10-1945, Cha Ansenmô Tađêo Lê Hữu Từ được bổ nhiệm làm Giám mục Phát Diệm.
Sau biến cố 1954, GP. Phát Diệm trống toà cho đến ngày 30-11-1956, Toà Thánh bổ nhiệm Đức cha Phaolô Bùi Chu Tạo là, Giám quản Giáo phận, nhưng mãi đến 3 năm sau, ngày 26-4-1959, Đức cha Giám quản mới được tấn phong Giám mục Đại diện Tông toà Phát Diệm
Ngày 24-11-1960, Sắc chỉ Vene-rabilium Nostrorum thành lập Hàng Giáo phẩm Việt Nam, và nâng các giáo phận hiệu toà ở Việt Nam lên hàng chính toà. Giáo phận Phát Diệm thuộc tổng giáo phận Hà Nội, Đức cha Phaolô Bùi Chu Tạo được bổ nhiệm làm giám mục chính toà đầu tiên tại Phát Diệm. (Ngài nghỉ hưu năm 1998 và mất năm 2001)
Trong thời gian này, Toà Thánh bổ nhiệm Cha Giuse Lê Quý Thanh làm GM Phó, nhưng ngài sớm qua đời vào ngày 7-5-1974.
Tháng 4-1977, Toà Thánh bổ nhiệm Cha Giuse Nguyễn Thiện Khuyến, lúc này đã 77 tuổi, làm GM Phó. Ngài qua đời vào năm 1981.
Năm 1988, Cha Giuse Nguyễn Văn Yến được bổ nhiệm làm Giám mục Phó Phát Diệm.
Năm 1998, Đức cha Phaolô Bùi Chu Tạo, lúc này đã 89 tuổi, được Toà Thánh cho nghỉ hưu theo đơn xin. Đức cha Phó Giuse Nguyễn Văn Yến lên kế vị.
Ngày 14-4-2007, Đức cha Giuse Yến làm đơn từ nhiệm và được Toà Thánh chấp thuận. Sau khi Đức cha Yến từ nhiệm, Toà Thánh cắt đặt Đức cha Giuse Nguyễn Chí Linh của Giáo phận Thanh Hoá làm Giám quản GP. Phát Diệm.
Ngày 25-7-2009: Cha Giuse Nguyễn Năng được bổ nhiệm làm Giám mục Chính toà Phát Diệm với khẩu hiệu "Hiệp thông và Phục vụ". Lễ Tấn phong Giám mục được cử hành vào ngày 9-9-2009 tại Nhà thờ Chính toà Phát Diệm.