Tuy là em kế út trong 25 giáo phận Công giáo ở Việt Nam (1975), nhưng Phan Thiết có chung dòng lịch sử hình thành và phát triển từ giáo phận: Đàng Trong - Đông - Sài Gòn - Nha Trang. Sự hình thành này là nhờ ơn Chúa và sự tận tuỵ hy sinh của các thừa sai, linh mục, tu sĩ và giáo dân.
Khoảng giữa thế kỷ XVII, vùng Phan Thiết (Phan Rí, Lagi) đã được các cha dòng Tên đến tận nơi rao giảng Tin Mừng như: cha Pedro Marques vào đầu năm 1665. Ngày 12-10-1665, cha Hainques thuộc Hội Thừa sai (MEP) có mặt tại Phan Rí. Như vậy, năm 1659, khi Toà Thánh thiết lập hai giáo phận đầu tiên ở Việt Nam, vùng đất Phan Thiết đã có giáo hữu nằm trong vương quốc Chăm, trực thuộc giáo phận Malacca. Ngày 13-1-1665, Toà Thánh sáp nhập xứ Chăm và Cambodia vào giáo phận tông toà Đàng Trong do Đức cha P. Lambert de la Motte coi sóc.
Năm 1685, ở Lagi (Bình Tuy) giáo dân có tới 300, Phan Rí 100 và vùng Phan Thiết 1.500.Theo cha A. Launay, năm 1747 vùng Phan Thiết do thừa sai Thánh Bộ và Hội Thừa sai Paris coi sóc, số giáo hữu: Phan-ri (Phan Rí) 100, Soi-luy (Sông Luỹ) 130, Phan-tiet (Phan Thiết) 60, Pho-g ai 160 (Phú Hài). Năm 1775, vùng đất từ Bình Thuận trở ra do Đức cha phó Jean Labartette An cùng 4 thừa sai, 3 linh mục người Việt coi sóc.
Sau năm 1789, Đức cha Pigneau de Béhaine (Bá Đa Lộc) thường thăm các họ đạo tại Lagi, Bình Thuận (1.200 giáo dân), Khánh Hoà. Năm 1830, cha Joseph Marchand Du sau thời gian học hỏi phong tục tập quán tại Lái Thiêu và dạy học ở chủng viện, phụ trách 25 họ đạo với khoảng 7.000 tín hữu thuộc tỉnh Bình Thuận. Ngày 2-3-1844, Đức Gregorius XVI chia giáo phận Đàng Trong thành hai giáo phận Đông và Tây, vùng đất Bình Thuận (Phan Thiết) trước tiên thuộc về giáo phận Đông (Quy Nhơn) và sau này thuộc về giáo phận Tây là Sài Gòn.
Năm 1850, vùng đất Phan Thiết vẫn thuộc giáo phận Quy Nhơn. Thời ba vua nhà Nguyễn và Văn Thân bắt bớ người Công giáo, giáo dân vùng Phan Thiết ít bị hành hạ hơn các giáo phận khác. Vì ở xa các thành phố, lại có nhiều cửa biển và rừng núi, nên giáo dân từ Quảng Nam, Quảng Bình, Bình Định kéo về đây trú ẩn làm cho số giáo dân ngày một đông thêm. Từ những năm 1905-1957, Phan Thiết được trả về cho giáo phận Tây Đàng Trong (Sài Gòn) vì từ Quy Nhơn vào Phan Thiết, các thừa sai phải đi bằng ghe thuyền, đường rất khó khăn, trong khi từ Sài Gòn ra Phan Thiết đường gần, an toàn và có xe lửa.
Vùng Phan Thiết lúc đó là một giáo hạt gồm 7 giáo xứ: Phan Thiết, Kim Ngọc, Rạng, Tầm Hưng, Ma Ó, Lagi và Di Linh (Lâm Đồng), với khoảng 7.123 giáo hữu (năm 1938), thuộc giáo phận Sài Gòn, do cha Cyprien Brugidou (cố Báu) và cha Antôn Nguyễn Văn Nhiệm coi sóc.
Từ năm 1957-1975, Phan Thiết lại được chia về giáo phận mới Nha Trang với hai giáo hạt: giáo hạt Phan Thiết có 18 xứ, 22 linh mục và 30.007 giáo hữu; giáo hạt Thanh Hải có 17 giáo xứ, 21 linh mục và 19.766 giáo hữu. Ngày 30-1-1975, Đức Phaolô VI tách phần đất thuộc tỉnh Bình Thuận, Bình Tuy thuộc giáo phận Nha Trang, thành lập giáo phận Phan Thiết. Với văn kiện số 1538/75 của Thánh Bộ Truyền bá Phúc Âm, đề ngày 19-3-1975. Toà Thánh đặt Đức cha Nicôla Huỳnh Văn Nghi, giám mục hiệu toà Selsea, phụ tá Tổng giám mục Sài Gòn, làm giám quản tông toà giáo phận Phan Thiết. Khi thành lập, giáo phận có 50 linh mục (4 vị hưu), 33 đại chủng sinh, 4 lớp tiểu chủng sinh và 69.921 giáo dân.
Ngày 6-12-1979, Đức Gioan Phaolô II bổ nhiệm Đức cha Nicôla làm giám mục chính toà giáo phận Phan Thiết. Đức cha Nicôla đã tiếp nhận giáo phận trong hoàn cảnh khó khăn và phức tạp, khi chiến tranh đang ở hồi kết thúc và nhiều cơ sở bị tàn phá, dân chúng hoang mang. Đức cha đã tận tuỵ xây dựng, phát triển giáo phận về mọi mặt và nhờ ơn Chúa đã đạt được những thành quả tốt đẹp.
Tháng 7-2001, Đức Thánh Cha bổ nhiệm linh mục Phaolô Nguyễn Thanh Hoan làm Giám mục phó Giáo phận Phan Thiết. Ngài được thụ phong vào ngày 11-8-2001.