Năm 1673, Xứ Đoài đã là một trong 7 giáo xứ đầu tiên ở Đàng Ngoài, Công đồng Bắc Hà họp lần đầu tiên tại Đàng Ngoài đề cử cha Giacôbê Chiêu coi sóc. Với khởi điểm này, việc truyền giáo cho người dân Hưng Hoá được thực hiện từ cha Alexandre de Rhodes (Đắc Lộ) (1627-1630), hay Gaspar d’Amaral (1631-1638) rồi các cha dòng Tên đến sau. Từ năm 1670, thêm các cha thuộc Hội Thừa sai Paris cùng với các linh mục, tu sĩ và giáo dân Hưng Hoá, nổi bật 7 vị thánh (nguyên quán và phục vụ) cùng nhiều vị chứng nhân đã đóng góp hết mình vào trang sử hào hùng của giáo phận Đoài, sau này là giáo phận Hưng Hoá.  

Từ năm 1659, Toà Thánh thành lập hai giáo phận ở Việt Nam, vùng Hưng Hoá (Xứ Đoài) thuộc giáo phận Đàng Ngoài, do Đức cha François Pallu coi sóc. Trong tập Lịch sử nước Annam do Bentô Thiện gửi cho cha Marini năm 1659 viết: “Santei xứ (Sơn Tây xứ) đựac mườiy (được mười) nhà thánh”.     

Năm 1679, Toà Thánh phân chia giáo phận Đàng Ngoài thành Đông và Tây, Xứ Đoài (Hưng Hoá) đã có nhiều giáo xứ và giáo hữu như: năm 1673, Xứ Đoài được cha Giacôbê Chiêu coi sóc; năm 1707, riêng cha Giuông Hậu coi sóc 2.000 giáo hữu. Các cha dòng Tên phục vụ tại hai nơi trong Xứ Đoài: Kẻ Blùng có 52 nhà thờ và nhà nguyện, 3.960 giáo hữu; An Tập có 87 nhà thờ và nhà nguyện, 5.344 giáo hữu; tổng cộng 9.340 giáo hữu. Năm 1712, số giáo hữu hai nơi này lên tới 15.462. 

Năm 1846, Toà Thánh phân chia giáo phận Tây Đàng Ngoài thành giáo phận Nam và Tây, vùng đất Xứ Đoài (Hưng Hoá) phát triển thành nhiều giáo họ, giáo xứ thuộc giáo phận Tây, do Đức cha P.A. Retord Liêu coi sóc. 

Ngày 15-4-1895, Đức Lêô XIII đã cho tách 3 tỉnh: Sơn Tây, Hưng Hoá và Tuyên Quang thuộc giáo phận Tây, để thành lập giáo phận mới lấy tên gọi giáo phận Đoài, hay còn được gọi là giáo phận Tông toà Thượng du Bắc Kỳ (Tonkin Supérieur), và đặt Đức cha Paul Raymond Lộc làm giám mục tiên khởi. Khi thành lập, giáo phận Đoài (Hưng Hoá) có 16.950 giáo hữu, 24 linh mục (12 thừa sai), 53 tu sĩ, 28 tiểu chủng sinh, 11 giáo xứ, 96 giáo họ. 

Năm 1924, Toà Thánh đổi tên các giáo phận ở Việt Nam theo địa bàn hành chính nơi đặt toà giám mục, giáo phận Tông toà Đoài đổi tên thành giáo phận Tông toà Hưng Hoá, Đức cha Paul Raymond Lộc coi sóc. Từ khi nhận coi sóc giáo phận đến năm ngài nghỉ hưu (1938), giáo phận Hưng Hoá tăng từ con số 16.950 đến 64.233 giáo hữu, 58 linh mục Việt Nam, 22 linh mục thừa sai, 42 giáo xứ, 435 giáo họ, 44 người nhà mụ. 

Ngày 2-5-1950, toà giám mục, nhà thờ chính toà, trường thử (tiểu chủng viện) bị thiêu huỷ toàn bộ do chiến tranh và tạm thời di dời về thị xã Sơn Tây. 

Ngày 24-11-1960, Toà Thánh thiết lập Hàng Giáo phẩm Việt Nam, đồng thời nâng giáo phận tông toà Hưng Hoá lên hàng giáo phận chính toà và đặt Đức cha Phêrô Nguyễn Huy Quang làm giám mục chính toà đầu tiên, thuộc Tổng giáo phận Hà Nội. 

Đức cha Phêrô Nguyễn Huy Quang cai quản giáo phận từ năm 1960-1985. Tiếp theo lần lượt có Đức cha Giuse Phan Thế Hinh (1985-1989), Đức cha Giuse Nguyễn Phụng Hiểu (1989-1992). Giáo phận trong tình trạng trống toà (1992-2003) và được các linh mục giám quản coi sóc: lm. Phaolô Đinh Tiến Cung (1992-1998) và lm. Giuse Nguyễn Thái Hà (1998-2003).  

Ngày 5-8-2003, Đức Thánh Cha Gioan Phaolô II đã bổ nhiệm Linh mục Antôn Vũ Huy Chương, Giáo sư Thần học Tín lý Đại chủng viện Cần Thơ, làm Giám mục Hưng Hoá.

Ngày 1-3-2011, ĐTC Bênêđictô XVI bổ nhiệm Đức cha Antôn Vũ Huy Chương làm Giám mục Giáo phận Đà Lạt, đồng thời ngài bổ nhiệm Đức cha Gioan Maria Vũ Tất làm Giám mục Chính toà Giáo phận Hưng Hoá.