Việc truyền giáo ở Bắc Hà được nhấn mạnh với các hoạt động truyền giáo của linh mục Alexandre de Rhodes (Đắc 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[5].
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 Đoài) thuộc Giáo phận Đàng 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".[6] 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[7].
Năm 1673, Xứ Đoài đã là một trong 7 giáo xứ đầu tiên được thành lập ở Đàng Ngoài. Năm 1679, Tòa Thánh phân chia Giáo phận Đàng Ngoài thành Đông và Tây. Từ đó, Xứ Đoài (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 Đàng Ngoài một lần nữa được chia thành giáo phận Nam và Tây. Xứ Đoài (Hưng Hóa) vẫn thuộc giáo phận Tây. Ngày 15 tháng 4 năm 1895, Giáo hoàngLêô 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 Superioris), hay Thượng du Bắc Kỳ, còn gọi là Giáo phận Đoài, phong cho Giám mục Paul Raymond Lộc làm Giám mục tiên khởi. Khi thành lập, Giáo phận Đoài (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 [3]. Đến năm 1924, Giáo phận Tông tòa Đoài 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 là Nhà thờ chính tòa Sơn Lộc.[8].
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 [3].
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[9] Hiện giáo phận Hưng Hóa đang trong quá trình chia tách giáo phận, theo thỉnh nguyện từ Giám mục giáo phận.[10]
Giáo phận có 9 giáo hạt, 117 giáo xứ trong đó [12]:
Giáo hạt Sơn Tây (thị xã Sơn Tây và các huyện Ba Vì, Phúc Thọ, Quốc Oai, Thạch Thất thuộc thành phố Hà Nội) gồm 23 giáo xứ:
Chính Tòa - Phường Trung Sơn Trầm, thị xã Sơn Tây, thành phố Hà Nội
Sơn Tây - 70 Lê Lợi, phường Lê Lợi, thị xã Sơn Tây, thành phố Hà Nội
Bách Lộc - Xã Thọ Lộc, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội
Bến Thôn - Xã Canh Nậu, huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội
Cần Kiệm - Xã Cần Kiệm, huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội
Cát Ngòi - Xã Cát Quế, huyện Hoài Đức, thành phố Hà Nội
Dị Nậu - Xã Dị Nậu, huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội
Đường Hồng - Xã Tam Thuấn, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội
Hạ Hiệp - Xã Liên Hiệp, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội
Hoàng Xá - Thị trấn Quốc Oai, huyện Quốc Oai, thành phố Hà Nội
Mộc Hoàn - Xã Vân Côn, huyện Hoài Đức, thành phố Hà Nội
Phú Cát - Xã Phú Cát, huyện Quốc Oai, thành phố Hà Nội
Phú Hữu - Xã Tân Xã, huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội
Phú Nghĩa (Ba Vì) - Xã Thụy An, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội
Phú Nghĩa (Thạch Thất) - Xã Phú Kim, huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội
Thanh Mạc - Xã Thanh Đa, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội
Thuấn Nội - Xã Thanh Đa, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội
Tình Lam - Xã Đại Thành, huyện Quốc Oai, thành phố Hà Nội
Trại Ro - Xã Tuyết Nghĩa, huyện Quôc Oai, thành phố Hà Nội
Trại Vàng - Xã Đông Yên, huyện Quốc Oai, thành phố Hà Nội
Vĩnh Lộc - Xã Phùng Xá, huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội
Vĩnh Thọ - Xã Vân Phúc, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội
Yên Khoái - Xã Thụy An, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội
Hạt Hà Giang - Tuyên Quang - Đoan Hùng (phần phía tây các tỉnh Hà Giang, Tuyên Quang bên hữu ngạn sông Lô và huyện Đoan Hùng thuộc tỉnh Phú Thọ) gồm 13 giáo xứ:
Tuyên Quang - 60 Lương Định Của, phường Minh Xuân, thành phố Tuyên Quang, tỉnh Tuyên Quang
Ân Thịnh - Xã Thắng Quân, huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang
Đồng Đam - Xã Phú Lâm, huyện Đoan Hùng, tỉnh Phú Thọ
Hà Giang - Phường Quang Trung, thành phố Hà Giang, tỉnh Hà Giang
Hàm Yên - Thị trấn Tân Yên, huyện Hàm Yên, tỉnh Tuyên Quang
Lã Hoàng - Xã Chí Đám, huyện Đoan Hùng, tỉnh Phú Thọ
Mỹ Bằng - Xã Mỹ Bằng, huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang
Phú Lâm - Phường Mỹ Lâm, thành phố Tuyên Quang, tỉnh Tuyên Quang
Tân Quang - Thị trấn Việt Quang, huyện Bắc Quang, tỉnh Hà Giang
Trại Cỏ - Xã Hùng Xuyên, huyện Đoan Hùng, tỉnh Phú Thọ
Vân Đồn - Xã Vân Đồn, huyện Đoan Hùng, tỉnh Phú Thọ
Vân Du - Xã Vân Du, huyện Đoan Hùng, tỉnh Phú Thọ
Vĩnh Tuy - Thị trấn Vĩnh Tuy, huyện Bắc Quang, tỉnh Hà Giang
Hạt Hòa Bình - Sơn La - Điện Biên (thành phố Hòa Bình và các huyện Cao Phong, Đà Bắc, Mai Châu, Tân Lạc thuộc tỉnh Hòa Bình và toàn bộ các tỉnh Điện Biên, Sơn La) gồm 9 giáo xứ:
Điện Biên - Xã Noong Hẹt, huyện Điện Biên, tỉnh Điện Biên
Hòa Bình - Phường Đồng Tiến, thành phố Hòa Bình, tỉnh Hòa Bình
Mai Yên - Xã Cò Nòi, huyện Mai Sơn, tỉnh Sơn La
Mộc Châu - Thị trấn Mộc Châu, huyện Mộc Châu, tỉnh Sơn La
Mường La - Thị trấn Ít Ong, huyện Mường La, tỉnh Sơn La
Mường Nhé - Xã Nà Bủng, huyện Nậm Pồ, tỉnh Điện Biên
Phù Yên - Thị trấn Phù Yên, huyện Phù Yên, tỉnh Sơn La
Sơn La - Phường Quyết Thắng, thành phố Sơn La, tỉnh Sơn La
Sông Mã - Thị trấn Sông Mã, huyện Sông Mã, tỉnh Sơn La
Hạt Yên Bái (thành phố Yên Bái và các huyện Lục Yên, Trấn Yên, Văn Yên, Yên Bình thuộc tỉnh Yên Bái) gồm 25 giáo xứ:
Yên Bái - Phường Hồng Hà, thành phố Yên Bái, tỉnh Yên Bái
An Thịnh - Xã An Thịnh, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Bạch Hà - Xã Bạch Hà, huyện Yên Bình, tỉnh Yên Bái
Bảo Ái - Xã Bảo Ái, huyện Yên Bình, tỉnh Yên Bái
Bảo Long - Xã Bảo Hưng, huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái
Đại An - Xã Quy Mông, huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái
Đại Phác - Xã Đại Phác, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Hán Đà - Xã Hán Đà, huyện Yên Bình, tỉnh Yên Bái
Lạc Hồng - Xã An Thịnh, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Lang Thíp - Xã Lang Thíp, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Lục Yên - Thị trấn Yên Thế, huyện Lục Yên, tỉnh Yên Bái
Mậu Đông - Xã Mậu Đông, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Mông Sơn - Xã Mông Sơn, huyện Yên Bình, tỉnh Yên Bái
Nhân Nghĩa - Xã Nhân Nghĩa, huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái
Phúc Lộc - Xã Giới Phiên, thành phố Yên Bái, tỉnh Yên Bái
Quần Hào - Phường Yên Thịnh, thành phố Yên Bái, tỉnh Yên Bái
Trúc Lâu - Xã Trúc Lâu, huyện Lục Yên, tỉnh Yên Bái
Xuân Ái - Xã Xuân Ái, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Yên Bái - Tổ 38, phường Hồng Hà, thành phố Yên Bái, tỉnh Yên Bái
Yên Bình - Xã Vĩnh Kiên, huyện Yên Bình, tỉnh Yên Bái
Yên Hợp - Xã Yên Hợp, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Yên Hưng - Xã Yên Hưng, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Yên Phú - Xã Yên Phú, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Yên Thế - Thị trấn Yên Thế, huyện Lục Yên, tỉnh Yên Bái
Yên Thịnh - Xã An Thịnh, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái
Hạt Lào Cai - Lai Châu (toàn bộ các tỉnh Lào Cai và Lai Châu), gồm 7 giáo xứ:
Lào Cai - Phường Cốc Lếu, thành phố Lào Cai, tỉnh Lào Cai
Bảo Yên - Thị trấn Phố Ràng, huyện Bảo Yên, tỉnh Lào Cai
Cốc Lếu - Phường Cốc Lếu, thành phố Lào Cai, tỉnh Lào Cai
Lai Châu - Phường Đoàn Kết, thành phố Lai Châu, tỉnh Lai Châu
Phố Lu - Thị trấn Phố Lu, huyện Bảo Thắng, tỉnh Lào Cai
Sa Pa - Phường Sa Pa, thị xã Sa Pa, tỉnh Lào Cai
Than Uyên - Thị trấn Than Uyên, huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu
Hạt Nghĩa Lộ (thị xã Nghĩa Lộ và các huyện Mù Cang Chải, Trạm Tấu, Văn Chấn thuộc tỉnh Yên Bái) gồm 6 giáo xứ:
Nghĩa Lộ - Phường Trung Tâm, thị xã Nghĩa Lộ, tỉnh Yên Bái
Đồng Lú - Xã Nghĩa Lộ, thị xã Nghĩa Lộ, tỉnh Yên Bái
Giàng La Pán - Xã Bản Mù, huyện Trạm Tấu, tỉnh Yên Bái
Mỹ Hưng - Xã Mỹ Hưng, huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái
Phình Hồ - Xã Phình Hồ, huyện Trạm Tấu, tỉnh Yên Bái
Vĩnh Quang - Thị trấn nông trường Liên Sơn, huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái
Hạt Tây - Nam Phú Thọ (các huyện Tam Nông, Tân Sơn, Thanh Sơn, Thanh Thủy thuộc tỉnh Phú Thọ) gồm 14 giáo xứ:
Đồn Vàng - Xã Sơn Hùng, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ
Hiền Quan - Xã Hiền Quan, huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ
Hoàng Xá - Xã Hoàng Xá, huyện Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ
Kiệt Sơn - Xã Kiệt Sơn, huyện Tân Sơn, tỉnh Phú Thọ
Lũng Hiền - Xã Hiền Quan, huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ
Lương Sơn - Xã Lương Sơn, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ
Phù Lao - Xã Sơn Thủy, huyện Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ
Thạch Khoán - Xã Thạch Khoán, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ
Thanh Lâm - Thị trấn Thanh Thủy, huyện Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ
Thanh Uyên - Xã Thanh Uyên, huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ
Thượng Lộc - Xã Bảo Yên, huyện Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ
Thủy Trạm - Xã Sơn Thủy, huyện Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ
Trại Sơn - Xã Hoàng Xá, huyện Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ
Xuân Dương - Xã Xuân Lộc, huyện Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ
Hạt Tây - Bắc Phú Thọ (các huyện Cẩm Khê, Hạ Hòa, Yên Lập thuộc tỉnh Phú Thọ) gồm 13 giáo xứ:
Bằng Giã - Xã Bằng Giã, huyện Hạ Hòa, tỉnh Phú Thọ
Đồng Cạn - Thị trấn Yên Lập, huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ
Dư Ba - Xã Minh Tân, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Khổng Tước - Xã Minh Tân, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Mộ Xuân - Xã Xuân An, huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ
Phì Đình - Xã Lang Sơn, huyện Hạ Hòa, tỉnh Phú Thọ
Phượng Vĩ - Xã Minh Tân, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Ro Lục - Xã Hương Lung, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Tạ Xá - Xã Tạ Xá, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Tiên Phong - Xã Yên Tập, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Văn Bán - Xã Văn Bán, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Vân Thê - Xã Phượng Vĩ, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Yên Tập - Xã Yên Tập, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ
Hạt Đông-Nam Phú Thọ (thành phố Việt Trì, thị xã Phú Thọ và các huyện Lâm Thao, Phù Ninh, Thanh Ba) gồm 23 giáo xứ và 63 họ đạo
Bãi Dòng - Xã Xuân Huy, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ
Bồng Lạng - Xã Phùng Nguyên, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ
Cây Hồng - Xã Phú Mỹ, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ
Chiêu Ứng - Xã Sơn Cương, huyện Thanh Ba, tỉnh Phú Thọ
Đồng Xa - Xã Ninh Dân, huyện Thanh Ba, tỉnh Phú Thọ
Đức Phong - Xã Cổ Tiết, huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ
Gia Thanh - Xã Gia Thanh, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ
Hà Thạch - Xã Hà Thạch, thị xã Phú Thọ, tỉnh Phú Thọ
Làng Lang - Xã Phú Mỹ, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ
Nỗ Lực - Xã Thụy Vân, thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ
Phù Lỗ - Thị trấn Phong Châu, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ
Phú Thọ - Phường Hùng Vương, thị xã Phú Thọ, tỉnh Phú Thọ
Phụng Thượng - Xã Đông Thành, huyện Thanh Ba, tỉnh Phú Thọ
Thạch Sơn - Xã Thạch Sơn, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ
Tiên Cát - 16B Đoàn Kết, phường Tiên Cát, thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ
Tiên Kiên - Xã Tiên Kiên, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ
Tiên Phú - Xã Tiên Phú, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ
Trù Mật - Xã Văn Lung, thị xã Phú Thọ, tỉnh Phú Thọ
Vân Thê - Xã Hà Lộc, thị xã Phú Thọ, tỉnh Phú Thọ
Việt Trì - Phường Gia Cẩm, thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ
Vĩnh Hóa - Xã Thụy Vân, thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ
Xóm Bướm - Xã Tiên Kiên, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ
Xuân Thành - Xã Văn Lung, thị xã Phú Thọ, tỉnh Phú Thọ
Nhà thờ xứ Sơn Lộc (Tông), thuộc phường Trung Sơn Trầm, thị xã Sơn Tây, Hà Nội, được chọn làm nhà thờ chính tòa của giáo phận sau khi nhà thờ cũ tại Hưng Hóa bị chiến tranh tàn phá. Nhà thờ có kiến trúc tương đối rộng lớn, kiên cố nhất giáo phận [13].
Địa chỉ tòa Giám mục Hưng Hóa tại số 70 phố Lê Lợi, thị xã Sơn Tây, thành phố Hà Nội [14].
Pháp trường Năm Mẫu, Gò Sói, Đền Thánh Tử Đạo: đều nằm chung quanh thị xã Sơn Tây[13]. Đài "Kính Đấng Tây Nam Tử vì đạo Thiên Chúa", xây dựng vào năm 1940 ngay trên bãi Năm Mẫu là nơi xưa kia triều đình chém đầu các vị thánh tử đạo Hưng Hóa, gồm linh mục Schoeffler (tên Việt: Đông) bị chém ngày 1 tháng 5 năm 1859, linh mục Cornay (tên Việt: Tân) bị chém ngày 20 tháng 9 năm 1837, Thầy giảng Phêrô Vũ Văn Truật (người Kẻ Thiệc, Sơn Tây) bị chém ngày 18 tháng 12 năm 1938...[8].
Đền thánh Đoàn Văn Vân: được xây cất trong khuôn viên nhà xứ Nỗ Lực, xã Thụy Vân, thành phố Việt Trì, tỉnh Phú Thọ.
Đền Thánh Phêrô Vũ Văn Truật: được xây cất tại khuôn viên nhà xứ Hà Thạch, xã Hà Thạch, thị xã Phú Thọ, tỉnh Phú Thọ.