Việc truyền giáo ở Bắc Hà được nhấn mạnh với các hoạt động truyền giáo của linh mục Alexandre de Rhodes (Ðắc Lộ) (giai đoạn 1627-1630), sau đó là linh mục Gaspar d'Amaral (giai đoạn 1631-1638). Các nhà truyền giáo dòng Tên về sau đã tiếp nối công cuộc truyền giáo xung quanh thành Thăng Long và đã đạt được nhiều kết quả. Họ bắt đầu tìm hướng lên các vùng thượng đạo.

Vào năm 1647, một giáo sĩ người Ý là Giovanni Filippo de Marini, thuộc Dòng Tên, đã cùng với một số phụ tá đến Đại Đồng, gần phủ Yên Bình, tỉnh Tuyên Quang để truyền giáo. Tuy nhiên, chưa đến 1 tháng sau, giáo sĩ Marini và các phụ tá của mình phải đi khỏi vùng này vì không chịu nổi sơn lam chướng khí, người nào cũng bị bệnh[3].

Việt truyền giáo tại vùng này tạm dừng một thời gian vì thiếu nhân sự. Năm 1659, Tòa Thánh thành lập hai giáo phận ở Việt Nam, vùng Hưng Hóa (Xứ Ðoài) thuộc Giáo phận Ðàng Ngoài, do Giám mục Francois Pallu coi sóc. Nhiều giáo sĩ dòng Tên khác được cử lên đây để kế tục việc truyền giáo của Marini. Việc truyền giáo có kết quả tốt đến nỗi năm 1659, một nhà truyền giáo là Bentô Thiện đã gửi thư cho linh mục Marini có viết: "Santei xứ (Sơn Tây xứ) đựac mườiy (được mười) nhà thánh".[4] Thời Pháp thuộc, linh mục Gustave Hue (tên Việt: Hương) là tác giả cuốn Tự điển tam ngữ Việt-Hán-Pháp. Lúc đã 67 tuổi, ông bắt đầu học tiếng Mường để phục vụ cho nhu cầu truyền giáo. Ông còn cho in sách song ngữ Việt-Mường để dạy giáo lý, văn hóa, dạy cho trẻ em Mường đọc và viết được tiếng Mường. Điều này đã ảnh hưởng rất lớn cho việc bảo tồn văn hóa Mường sau này[5].

Năm 1673, Xứ Ðoài đã là một trong 7 giáo xứ đầu tiên được thành lập ở Ðàng Ngoài. Năm 1679, Tòa Thánh phân chia Giáo phận Ðàng Ngoài thành Ðông và Tây. Từ đó, Xứ Ðoài (Hưng Hóa) đã nhanh chóng trở thành một vùng trung tâm của Giáo phận Tây Đàng Ngoài. Chỉ trong vòng 5 năm, số lượng tín đồ đã tăng từ 2.000 (năm 1707) tăng lên 15.462 (năm 1712).

Năm 1846, Giáo phận Tây Ðàng Ngoài một lần nữa được chia thành giáo phận Nam và Tây. Xứ Ðoài (Hưng Hóa) vẫn thuộc giáo phận Tây. Ngày 15 tháng 4 năm 1895, Giáo hoàng Lêô XIII đã cho tách 3 tỉnh Sơn Tây, Hưng Hóa và Tuyên Quang thuộc giáo phận Tây, để thành lập giáo phận mới lấy tên gọi là Giáo phận Tông tòa Thượng Đàng Ngoài (Tonkin Supérieur), hay Thượng du Bắc Kỳ, còn gọi là Giáo phận Ðoài, phong cho Giám mục Paul Raymond Lộc làm Giám mục tiên khởi. Khi thành lập, Giáo phận Ðoài (Hưng Hóa) có 16.950 tín đồ, 24 linh mục (12 thừa sai), 53 tu sĩ, 28 tiểu chủng sinh, 11 giáo xứ, 96 giáo họ [1]. Đến năm 1924, Giáo phận Tông tòa Ðoài được Tòa Thánh đổi tên thành Giáo phận Tông tòa Hưng Hóa.

Ban đầu, Tòa giám mục và nhà thờ chính tòa được đặt ở thành Hưng Hóa, nay thuộc Tam Nông, Phú Thọ. Ngày 2 tháng 5 năm 1950, trường thử (tiểu chủng viện) bị thiêu hủy toàn bộ do chiến tranh, nhà thờ chính tòa tại Hưng Hóa bị lính Pháp chiếm đóng. Vì vậy, ngày 2 tháng 11 năm 1950, Tòa giám mục phải dời về thị xã Sơn Tây (ngày nay là số 70 phố Lê Lợi). Vị trí này tồn tại cho đến ngày nay.[6].

Ngày 24 tháng 11 năm 1960, Tòa Thánh thiết lập Hàng Giáo phẩm Việt Nam, đồng thời nâng Giáo phận Tông tòa Hưng Hóa lên hàng Giáo phận chính tòa và đặt Giám mục Phêrô Maria Nguyễn Huy Quang làm Giám mục chính tòa đầu tiên, thuộc Giáo tỉnh Hà Nội [1].

Theo số liệu thống kê ngày 31 tháng 12 năm 2007, giáo phận có 217.030 giáo dân (chiếm 3,15% dân số), 60 linh mục, 133 nữ tu và 33 đại chủng sinh[7].