Giáo phận Thanh Hóa được thành lập vào ngày 7 tháng 5 năm 1932, tách ra từ Giáo phận Phát Diệm. Địa bàn Giáo phận bấy giờ gồm 2 tỉnh Thanh Hóa và Sầm Nưa (Lào) với diện tích khoảng 21.000km2, dân số khoảng 1,5 triệu người, trong đó có 4,4 vạn giáo dân 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 giảng, một ký túc xá của Dòng Đức Bà Truyền giáo, một Tu viện Dòng Kín Camêlô.

Năm 1952, vùng địa phận Sầm Nưa được nhập về Giáo phận Tông tòa Viêng Chăn. Giáo phận Thanh Hóa có diện tích như ngày nay.