Sau hơn một thế kỷ truyền giáo đầy gian nan do các cha dòng Đa Minh Bồ Đào Nha, rồi đến các cha dòng Tên:

Ngày 18-1-1615, hai cha dòng Tên F. Buzomi, D. Carvalho và thầy A. Dias tới Đà Nẵng. Lễ Phục Sinh năm đó, cha Buzomi đã rửa tội cho 10 người Việt. Nhờ quan trấn thủ Quy Nhơn, cha mở rộng vùng truyền giáo ở Quy Nhơn và Quảng Nam. Từ năm 1618-1620, tại Nước Mặn (Quy Nhơn) có 4 vị: các cha Buzomi, F. de Pina, C. Borri và thầy Dias; ở Hội An có cha P. Marques và hai thầy người Nhật. Từ đây, các ngài chính thức khai mở công cuộc truyền giáo không chỉ ở Quy Nhơn hay Đà Nẵng mà cả Đàng Trong. Từ 1615-1634, cha Buzomi đã can đảm và kiên trì rao giảng Tin Mừng. Từ vài người tín hữu lúc đầu, cha đã để lại con số ít nhất 12.000 người theo đạo, như cha Đắc Lộ đã kể lại trong Divers Voyages et Missions (tr. 117). Từ năm 1625-1665 chỉ có các cha dòng Tên coi sóc. Năm 1665, thêm các vị thuộc Hội Thừa Sai Paris, thừa sai thuộc Thánh bộ Truyền giáo.

Ngày 26-7-1644, thầy Anrê Phú Yên đã làm chứng cho đức tin trước sự chứng kiến của chính cha Đắc Lộ. Sau đó, trấn thủ Quảng Nam Dinh phái một viên quan xuống Quy Nhơn lệnh cho mọi người theo Đạo Hoa Lang phải khai báo thành thật tên tuổi; chỉ trong một ngày đã có 700 người khai là theo Đạo Đức Chúa Trời, sự việc làm quan trấn vô cùng sửng sốt (x. Rhodes, Divers voyages, 1653, phần II, tr. 205-211). 

Ngày 9-9-1659, Toà Thánh thành lập hai giáo phận: Đàng Ngoài và Đàng Trong do các vị đại diện tông toà cai quản. Giáo phận Đàng Trong do Đức cha P. Lambert de la Motte (1659-1679) coi sóc, ngài đến thăm mục vụ tại Quy Nhơn năm 1671. Quy Nhơn dần dần trở thành trung tâm truyền giáo ở Đàng Trong.

Ngày 5-10-1841, Đức cha E. T. Cuénot Thể mở Công đồng Gò Thị với mục tiêu đào tạo hàng giáo sĩ cho giáo phận Đàng Trong và mở rộng vùng truyền giáo.

Năm 1844, Đức cha Cuénot, giám mục thứ mười giáo phận Đàng Trong, xin Toà Thánh phân chia giáo phận Đàng Trong thành hai giáo phận: giáo phận Tây Đàng Trong gồm sáu tỉnh phía Nam, Cao Miên, và một phần nước Lào; giáo phận Đông Đàng Trong gồm các tỉnh miền Trung. Quy Nhơn nằm trong giáo phận Đông Đàng Trong do Đức cha Cuénot Thể coi sóc.

Năm 1850, Toà Thánh tách rời hai tỉnh Thừa Thiên, Quảng Trị và nửa tỉnh Quảng Bình lập thành giáo phận Bắc Đàng Trong (giáo phận Huế) và phần còn lại vẫn giữ tên giáo phận Đông Đàng Trong. Đông Đàng Trong bấy giờ gồm các tỉnh từ Quảng Nam tới Bình Thuận (nay là các tỉnh: Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Ninh Thuận, Bình Thuận và các tỉnh Tây Nguyên), vẫn dưới quyền cai quản của Đức cha Cuénot Thể. Thời vua Thiệu Trị, hàng giáo sĩ và giáo dân tạm yên (so với thời vua Minh Mạng), nhưng vua Tự Đức đã làm cho hàng giáo sĩ và giáo dân tan tác. Sau khi Đức cha Thể làm chứng cho đức tin ngày 14-11-1861, giáo dân hoảng loạn, nhưng việc truyền giáo vùng Tây Nguyên vẫn được khởi sự. Sau năm 1862, khi vua Tự Đức hạ chỉ tha đạo, thì năm 1885, một lần nữa giáo dân vùng Quy Nhơn lại phải gặp khó khăn với phong trào Văn Thân.

Ngày 3-12-1924, giáo phận Đông đổi tên theo địa bàn hành chính nơi đặt toà giám mục, lấy tên gọi giáo phận Quy Nhơn, do Đức cha Damien Grangeon Mẫn coi sóc.

Năm 1932, Toà Thánh tách rời miền Cao Nguyên, thuộc giáo phận Quy Nhơn, lập thành giáo phận Kontum.

Ngày 5-7-1957, Toà Thánh lấy tỉnh Khánh Hoà và Ninh Thuận của giáo phận Quy Nhơn và tỉnh Bình Thuận của giáo phận Sài Gòn lập thành giáo phận Nha Trang.

Ngày 24-11-1960, Đức Gioan XXIII lập Hàng Giáo phẩm Việt Nam, sắc chỉ công bố ngày 8-12-1960, lễ Đức Mẹ Vô Nhiễm Nguyên Tội, giáo phận tông toà Quy Nhơn được nâng lên hàng giáo phận chính toà, Đức cha Phêrô Phạm Ngọc Chi làm giám mục chính toà.

Ngày 18-1-1963, Toà Thánh lấy hai tỉnh Quảng Nam và Quảng Tín của giáo phận Quy Nhơn lập thành giáo phận Đà Nẵng và chỉ định Đức cha Phêrô Phạm Ngọc Chi làm giám mục tiên khởi, còn giáo phận Quy Nhơn thì giao cho Đức cha Đôminicô Hoàng Văn Đoàn, O.P. Như vậy, giáo phận Quy Nhơn hiện nay chỉ còn ba tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định và Phú Yên.

Đức cha Đôminicô Hoàng Văn Đoàn qua đời ngày 20-5-1974. Kế vị ngài là Đức cha Phaolô Huỳnh Đông Các, cai quản giáo phận từ 1974-1999 và Đức cha Giuse Phan Văn Hoa làm giám mục phó (1976-1987). Ngày 19-6-1999, Đức cha Phaolô Huỳnh Đông Các được Toà Thánh cho nghỉ hưu, Đức cha Phêrô Nguyễn Soạn lên thay. Lễ tấn phong và nhận chức vào ngày 12-8-1999. Đức cha Phaolô Huỳnh Đông Các qua đời ngày 3-6-2000.

Ngày 31-12-2009, Cha Matthêu Nguyễn Văn Khôi được Toà Thánh bổ nhiệm làm GM Phó với quyền kế vị tại Giáo phận Qui Nhơn.

Ngày 30-6-2012, ĐTC Bênêđictô XVI đã nhận đơn từ chức vì lý do tuổi tác của Đức cha Phêrô Nguyễn Soạn, và Đức cha Matthêu Nguyễn Văn Khôi lên kế vị.