Lịch sử giáo phận được xem là bắt nguồn từ thế kỷ 17. Theo ghi nhận của các thừa sai Dòng Tên, vào năm 1670, ở Xích Lam (Ðất Ðỏ), gần Bà Rịa (Vũng Tàu) đã có gần 300 gia đình Công giáo. Theo báo cáo của Giám mục M. Labbé, năm 1670, "miền Ðồng Nai có ít nhất trên 2.000 giáo dân". Theo linh mục Adrien Launay, vào năm 1747, vùng Ðồng Nai có các cộng đồng giáo dân ở Ben-go (Bến Gỗ), R. Dou-nai (Ðồng Nai), Da-lua, Ke-tat, Dou-mon, R. Moxoai (Mô Xoài), Ba-ria (Bà Rịa), Nui-nua (Núi Nứa) và Ðất Ðỏ, do các thừa sai Hội Thừa sai Paris (MEP) và Dòng Tên coi sóc.

Trải qua 300 năm phát triển, vào năm 1954, gần 80 vạn giáo dân Công giáo từ miền Bắc di cư vào Nam và ở rải rác khắp các tỉnh từ miền Trung trở vào. Một số rất đông đã tụ về miền Xuân Lộc tạo nên các xứ đạo mới như Hố Nai, Gia Kiệm, Phương Lâm, Vũng Tàu... Tính chất tập trung này đã hình thành cộng đồng giáo dân đông đảo, nổi tiếng là rất sùng đạo và lưu giữ được nhiều giá trị truyền thống của miền Bắc.

Ngày 14 tháng 10 năm 1965, Giáo hoàng Phaolô VI ra sắc chỉ tách Tổng giáo phận Sàigòn thành 3 giáo phận: Tổng giáo phận Sàigòn, Giáo phận Phú Cường và Giáo phận Xuân Lộc. Giáo phận Xuân Lộc gồm 3 tỉnh Long Khánh, Biên Hòa và Phước Tuy. Khi thành lập, giáo phận có tổng cộng 164.144 giáo dân trong tổng số dân 521.595 người với 133 giáo xứ, 135 linh mục triều, 19 linh mục dòng, 50 tu sĩ (các dòng La San, Gioan Thiên Chúa, Xitô, Ða Minh), 200 nữ tu (Thánh Phaolô, Mến Thánh Giá, Ða Minh). Đến năm 1974, giáo phận đã có 374.560 giáo dân trên tổng số 1.048.164 dân với 155 giáo xứ, 218 linh mục triều, 25 linh mục dòng, 97 đại chủng sinh, 215 tiểu chủng sinh, 109 tu sĩ, 949 nữ tu, 168 trường trung - tiểu học.

Ngày 22 tháng 11 năm 2005, một phần của giáo phận này được tách ra để thành lập Giáo phận Bà Rịa, nằm gọn trong tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.

Giáo phận vừa hoàn thành công trình Đại chủng viện Thánh Giuse cơ sở 2, đào tạo chủng sinh cho các giáo phận Xuân Lộc, Bà Rịa, Đà Lạt, Phan Thiết.