Được tách từ giáo phận Quy Nhơn năm 1957, nhưng Nha Trang đón nhận Tin Mừng từ thời các cha dòng Tên truyền giáo (cha P. Marques năm 1653 và cha P. Rivas năm 1655) giữa thế kỷ 17. Năm 1668 thêm các vị thuộc hội Thừa Sai Paris (M.E.P.), các vị thuộc Thánh bộ Truyền giáo, dòng Phanxicô…
Ngày 9-9-1659, Đức Alexander VII thành lập hai giáo phận: Đàng Ngoài và Đàng Trong, giáo phận Đàng Trong do Đức cha P. Lambert de la Motte coi sóc. Đêm 1-9-1671, Đức cha Lambert de la Motte, một số linh mục thừa sai người Pháp (trong đó có những vị sau này là giám mục Đàng Trong và Đàng Ngoài) cùng hai linh mục Việt Nam là Luca Bền và Giuse Trang đến Chợ Mới (cách thành phố Nha Trang ngày nay khoảng 2km) ban phép Thêm Sức cho 200 em và một số tân tòng.
Ngày 2-3-1844, Đức Gregorius chia giáo phận Đàng Trong thành hai giáo phận Đông và Tây; vùng Nha Trang thuộc giáo phận Đông (từ Phan Rang ra tới sông Gianh), do Đức cha E.T. Cuénot Thể coi sóc.
Năm 1850, theo đề nghị của giám mục giáo phận Đông, Toà Thánh lấy ba tỉnh phía Bắc gồm: Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên lập thành giáo phận Bắc Đàng Trong (Huế); vùng đất Nha Trang thuộc giáo phận Đông (Quy Nhơn) vẫn do Đức cha Cuénot Thể coi sóc. Mặc dù trong cơn bách hại, số giáo hữu vẫn tăng, đặc biệt vùng Tây Nguyên.
Ngày 3-12-1924, giáo phận Đông đổi tên thành giáo phận Quy Nhơn, theo địa bàn hành chính nơi đặt toà giám mục. Nha Trang thuộc giáo phận Quy Nhơn. Tại Nha Trang, việc truyền giáo cho anh em dân tộc thiểu số phát triển mạnh từ năm 1939 tại những vùng: Gia Lễ, Đồng Dài, Bà Râu và Tầm Ngân.
Ngày 5-7-1957, Đức Piô XII ban Sắc chỉ Crescit Laetissimo, lấy hai tỉnh Khánh Hoà, Ninh Thuận của giáo phận tông toà Quy Nhơn và hai tỉnh Bình Thuận, Bình Tuy của giáo phận tông toà Sài Gòn để thành lập giáo phận tông toà Nha Trang. Đức cha Marcel Piquet Lợi (M.E.P.) làm đại diện tông toà. Khi thành lập, giáo phận Nha Trang có 72.199 giáo dân; hàng giáo sĩ có 90 linh mục: 14 vị gốc địa phương, 54 vị di cư và 22 thừa sai.
Năm 1958, xây dựng Tiểu chủng viện Sao Biển (Stella Maris) tại giáo xứ Thanh Hải. Năm 1958, Đức cha thành lập dòng Khiết Tâm Đức Mẹ để thay thế hai dòng Mến Thánh Giá đã có sẵn lúc đó là dòng Mến Thánh Giá Tấn Tài và dòng Mến Thánh Giá Bình Cang, đặt Nhà Chính tại giáo xứ Bình Cang. Năm 1960, dòng Kín Carmel Thanh Hoá lập đan viện tại Nha Trang. Ngày 24-11-1960, Đức Gioan XXIII lập Hàng Giáo phẩm Việt Nam, giáo phận tông toà Nha Trang được nâng lên hàng giáo phận chính toà thuộc giáo tỉnh Huế, Đức cha Marcel Piquet Lợi làm giám mục chính toà đầu tiên, ngài nhận chức ngày 23-6-1961. Dưới thời Đức cha M. Piquet, có tờ Ut Sint Unum để liên lạc giữa các linh mục.
Ngày 11-7-1966, Đức cha Marcel Piquet Lợi được Chúa gọi về sau hơn 50 năm phục vụ trên cánh đồng truyền giáo tại Việt Nam.
Ngày 4-5-1967, Toà Thánh đặt cha Phanxicô Xaviê Nguyễn Văn Thuận làm giám mục chính toà Nha Trang. Ngài đem tinh thần Công đồng Vatican II ứng dụng cho giáo phận. Ngài chú ý đến việc đào tạo giáo sĩ: năm 1968, ngài mượn một phần cơ sở của đại học Đà Lạt để thành lập chủng viện Chúa Chiên Lành. Năm 1969, ngài thành lập Viện Lâm Bích dành cho các ơn gọi muộn; mở các lớp thường huấn cho linh mục và huấn luyện giáo dân trong các phong trào Công lý Hoà bình, Cursillos, Focolare. Ngài cũng quan tâm đến việc truyền giáo cho các dân tộc thiểu số và lập một Trung tâm Văn hoá Chăm tại Ninh Thuận. Dưới thời của Đức cha Thuận, có thêm tờ Dấn Thân, tờ báo của mọi thành phần Dân Chúa trong giáo phận. Vì hoàn cảnh chiến tranh, giáo phận Nha Trang lại đón nhận hai đợt di dân:
Đợt 1: năm 1964 và 1965 từ Phú Yên và Bình Định đến lập nghiệp tại Cam Ranh.
Đợt 2: từ Quảng Trị và Huế đến lập nghiệp tại các vùng Cam Ranh, Ninh Thuận, Bình Tuy…
Ngày 30-1-1975, Toà Thánh ban sắc chỉ tách hai tỉnh phía Nam là Bình Thuận và Bình Tuy ra khỏi giáo phận Nha Trang và thành lập giáo phận Phan Thiết, đồng thời bổ nhiệm cha Phaolô Nguyễn Văn Hoà, thuộc giáo phận Ban Mê Thuột làm giám mục giáo phận Phan Thiết.
Như vậy giáo phận Nha Trang chỉ còn hai tỉnh Khánh Hoà và Ninh Thuận.
Giáo phận Phan Thiết có 68.482 giáo dân với dân số 480.000 người.
Giáo phận Nha Trang có 101.768 giáo dân với dân số 812.000 người.
Ngày 24-4-1975, Đức cha P.X Nguyễn Văn Thuận được cử làm tổng giám mục phó giáo phận Sài Gòn, Đức cha Phaolô Nguyễn Văn Hoà làm giám mục Nha Trang và Đức cha Nicôla Huỳnh Văn Nghi, giám mục phụ tá Sài Gòn, làm đại diện tông toà Phan Thiết.
Ngày 7-5-1975, lễ bàn giao giữa hai Đức cha tân và cựu đã diễn ra tại Toà giám mục Nha Trang. Ngày 8-5-1975, Đức cha P.X. Nguyễn Văn Thuận về Sài Gòn nhận nhiệm sở mới.
Ngày 25-5-1975, Đức cha Phaolô Nguyễn Văn Hoà nhận toà trong hoàn cảnh rất sôi động và phức tạp về cả đạo lẫn đời. Nhờ đức hiền hoà và nhẫn nại, ngài đã tạo được sự thông cảm và hợp tác giữa các thành phần dân Chúa trong giáo phận, hàng giáo sĩ giáo phận mỗi ngày một thêm trẻ trung và tăng số. Tính từ năm 1975 đến cuối năm 2003, có 96 chủng sinh (70 triều và 26 dòng) được thụ phong linh mục. Ngài đã xây dựng được cơ sở mới của Đại chủng viện Sao Biển và trùng tu nhiều nhà thờ, nhà nguyện.
Vì huyện Khánh Dương (nay là huyện Madrắc) sau này không thuộc tỉnh Khánh Hoà nhưng thuộc tỉnh Đăklăk nên Đức cha đã nhờ giám mục giáo phận Ban Mê Thuột cai quản giúp.
Ngày 1-5-1997, Toà Thánh đặt cha Phêrô Nguyễn Văn Nho làm giám mục phó giáo phận Nha Trang, đây là vị giám mục đầu tiên gốc Nha Trang. Tiếc thay, Đức cha phó Phêrô Nguyễn Văn Nho, người được hãng tin Fides của Toà Thánh gọi là vị Tông đồ các Ơn gọi, được Chúa gọi về ngày 21-5-2003.
Năm 2003, giáo phận Nha Trang có 146 linh mục (104 triều và 42 dòng), 180.161 giáo dân.
Ngày 8-11-2005, Toà Thánh bổ nhiệm Cha Giuse Võ Đức Minh làm GM Phó GP. Nha Trang. Lễ tấn phong được cử hành ngày 15-12-2005.
Ngày 4-12-2009, Đức cha Phaolô Nguyễn Văn Hoà nghỉ hưu và trao sứ vụ cai quản Giáo phận cho Đức cha Giuse Võ Đức Minh.