1. Giai đoạn năm 1659 - 1932

Ngày 9-9-1659, sau hơn một thế kỷ “hạt giống Tin Mừng” được các nhà truyền giáo Dòng Đa Minh, Dòng Tên gieo vãi trên quê hương đất Việt (1533-1659), sự lớn mạnh của Giáo hội Việt Nam được đánh dấu bằng việc Đức Thánh Cha Alexandre VII công bố sắc lệnh “Super Cathedram Principis” thành lập hai giáo phận Tông tòa: Giáo phận Đàng Ngoài (Phía Bắc Sông Gianh) với con số tín hữu khoảng 80.000 người, trao cho Đức tân Giám Mục Francois Pallu coi sóc và giáo phận Đàng Trong (Phía Nam Sông Gianh) với số giáo dân khoảng 20.000 người trao cho Đức tân Giám Mục Pierre Lambert de La Motte cai quản.

Sau 20 năm thành lập (1679), Địa phận Đàng ngoài được chia thành hai giáo phận: Tây Đàng Ngoài trao cho Đức Cha Jacques de Bourges coi sóc và Đông Đàng Ngoài trao cho Đức Cha Francois Deydier coi sóc. Thanh Hóa trực thuộc Địa phận Tây Đàng Ngoài.

Năm 1846 Tòa Thánh chia Địa phận Tây Đàng Ngoài thành hai Địa Phận: Nam Đàng Ngoài, tức địa phận Vinh và Tây Đàng Ngoài. Thanh Hóa nằm trong vùng đất của Địa Phận Tây Đàng Ngoài.

Ngày 2-4-1901. Đức Thánh Cha Leo XIII ban sắc lệnh thiết lập Địa Phận Thanh cũng được gọi là Địa Phận Bắc Kỳ Duyên Hải (Tonkin Maritime), gồm tỉnh Thanh Hóa, tỉnh Ninh Bình – Phát Diệm và huyện Lạc Thủy của tỉnh Phước Lâm (Hòa Bình ngày nay). Vị Giám Mục tiên khởi là Đức Cha Alexandre Marcou Thành, với 24 Thừa Sai, 48 Linh Mục Việt Nam, 18 Đại Chủng Sinh, 112 Thầy Giảng, 145 Tiểu Chủng Sinh, 3 nhà Dòng Mến Thánh Giá và 80.000 Giáo dân trong 27 giáo xứ : 15 tại Ninh Bình, 7 tại Thanh Hóa và 5 tại Châu Lào.

Ngày 8-02-1902: Đức Cha Marcou Thành chính thức nhận giáo phận Thanh, đặt Toà Giám Mục tại Phát Diệm.

2. Giai đoạn từ năm 1932 đến nay

Ngày 26-4-1932: Nghị định của Thánh Bộ Truyền Bá Đức Tin về việc tách riêng Phát Diệm và Giáo phận Thanh Hóa được sự chấp thuận của Đức Thánh Cha Pio XI.

Ngày 7-5-1932 Sắc chỉ thành lập Giáo phận Thanh Hóa được ban hành. Theo Sắc chỉ thiết lập, Giáo phận Thanh Hóa gồm 2 tỉnh: Thanh Hóa ở đất Việt và Sầm Nưa ở đất Lào với diện tích khoảng 21.000km2, dân số khoảng 1.500.000 người, trong đó có 44.000 người công giáo bao gồm cả 7.000 người thuộc các dân tộc thiểu số. Lúc ấy nếu không tính 5 xứ thuộc Châu Lào, giáo phận chỉ có 18 giáo xứ, với 16 Thừa Sai, 48 Linh mục Việt Nam, 82 Thầy Kẻ Giảng, một ký túc xá của Dòng Đức Bà Truyền Giáo, một Tu viện Dòng Kín Camêlô.

Ngày 21-6-1932, Tòa Thánh bổ nhiệm Đức Cha Louis de Cooman Hành, Giám mục phó Phát Diệm về làm Giám Mục Thanh hóa. Ngay từ những ngày đầu về nhận Giáo phận, Đức Cha Louis de Cooman Hành đã bắt tay vào việc xây dựng giáo phận mới trong hoàn cảnh khó khăn về kinh tế (khủng hoảng kinh tế thế giới) và Chính trị (Chiến tranh thế giới thứ II). Trong kiên trì và thinh lặng, Người đã đào tạo được một hàng ngũ giáo sĩ đông đảo, đức độ, có khả năng và nhiệt huyết. Ngài xây dựng Tòa Giám Mục, Nhà Chung, Trường Thử, Tiểu Chủng Viện, trường các Thầy Kẻ Giảng. Dòng Mến Thánh giá được Người chăm sóc cách đặc biệt. Hầu hết các giáo xứ đều có đời sống tương đối ổn định và đạo hạnh. Những thành quả ấy đã trở thành nền tảng giúp mọi người kiên định niềm tin trước mọi thách đố của thời cuộc.

Sau hiệp định Geneve 1954 về Đông Dương, tình hình chính trị Việt Nam thay đổi, ngày 24 – 3 – 1954, Đức Cha Louis de Cooman Hành phải từ giã giáo phận về Pháp, ngài qua đời năm 1970 tại Lavais, Avignon, Pháp. Nhiều linh mục và tu sĩ đã đi vào Miền Nam với chừng 18.500 giáo dân. Số còn ở lại Thanh hóa: 27 Linh mục, 15 đại Chủng sinh, 70 tiểu Chủng sinh, 50 nữ tu dòng Mến Thánh Giá và khoảng 47.000 giáo dân. Cha Phêrô Phạm Tần được đặt làm Tổng quản Địa phận.

Ngày 17-3-1959, Tòa Thánh đặt cha Phêrô Phạm Tần làm Giám mục, hiệu Tòa Giustiniapoli, Đại Diện Tông Tòa coi sóc Giáo phận Thanh Hóa.

Ngày 24-11-1960, Tòa Thánh thiết lập hàng giáo phẩm Việt Nam và chia Giáo hội Việt Nam thành 3 giáo tỉnh: Hà Nội, Huế và Sài Gòn. Đây là một trong những thời điểm quan trọng nhất để khẳng định sự lớn mạnh và trưởng thành của Giáo Hội Việt Nam:

Cũng trong ngày 24-11-1960, Đức Cha Phêrô Phạm Tần được chính thức đặt làm Giám Mục Chính Tòa Địa phận. Nhưng do hoàn cảnh lịch sử, mãi đến ngày 22-6-1975, tức là sau hơn 15 năm, Ngài mới được tấn phong Giám Mục. Ý chí dũng cảm sẵn sàng xả thân của Ngài đã làm cho Giáo phận kiên vững trong giai đoạn khó khăn nhất của lịch sử. Ngày 1-2-1990 Người được Chúa gọi về và được an táng trong cung thánh Nhà thờ  Chính toà Thanh Hóa. Thời Đức Cha Tần có cha Chính Diệm (1957-1979) và cha Chính Antôn Trần Lộc (1980-1990).

Tòa Thánh đặt Đức Hồng Y Giuse MariaTrịnh Văn Căn - Tổng giám mục giáo phận Hà nội, làm Giám quản Thanh hóa. Nhưng chưa được mấy tháng, người đã đột ngột qua đời ngày 18-5-1990.

Cha Antôn Trần Lộc được đặt thay thế. Trong 4 năm trời và mặc dù bệnh tật, Người đã hết mình phục vụ Giáo phận, cho đến khi Đức Cha Batôlômêô Nguyễn Sơn Lâm được Tòa Thánh bổ nhiệm từ Đà Lạt về Thanh Hóa. Cha Antôn Trần Lộc đã qua đời ngày 16-8-1995 và an táng tại đất thánh Chúa Kitô Vua trong khuôn viên Tòa Giám Mục.