La diocesi di Vercelli nasce nel III secolo poichè inizialmente fu suffraganea dell’arcidiocesi di Milano.
Il primo vescovo certo è Eusebio, tuttavia si conoscono altri nomi di vescovi precedenti, di cui non si hanno però sicuri riscontri storici.
La diocesi adottò l’antico rito eusebiano fino al 1575, quandò passò al rito romano.
Nel Medioevo il territorio della diocesi comprende anche le attuali città di Biella, Casale Monferrato e parte della Lomellina fino a Robbio.
Secondo alcuni riferimenti storici nel 912 papa Anastasio III concesse al vescovo Regemberto l’uso del pallio, nel 1014 i vescovi di Vercelli ricevettero ampie donazioni da parte dell’imperatore Arrigo II.
Nel 1148 papa Eugenio II, che transitava da Vercelli di ritorno da un viaggio in Francia consacrò personalmente la chiesa di santa Maria Maggiore, alla presenza di san Bernardo di Chiaravalle.
Nel 1160 il vescovo Uguccione eresse a Biella il castello del Piazzo, origine del borgo medievale.
Agli inizi del XIII secolo il vescovo sant’Alberto Avogadro ottenne per sé e per i suoi successori l’uso della porpora, normalmente riservata ai cardinali, in alcuni giorni dell’anno, nel 1220 il cardinale Guala Bicheri fondò il monastero di sant’Andrea, presso l’omonima chiesa, a spese del re d’Inghilterra Enrico II, come atto di espiazione dell’assassinio del santo vescovo Tommaso di Canterbury.
Negli anni trenta del XIII secolo il vescovo Jacopo fu costretto all’esilio dalla fazione ghibellina e trovò rifugio nel castello di Santhià.
Fu papa Bonifacio VIII che avocò alla Sede Apostolica il diritto di elezione del vescovo, già esercitato dal canonici. In deroga a questa disposizione, approvò l’elezione fatta dal capitolo di Raniero Avogadro, che il 23 marzo 1307, armi alla mano, sconfisse l’eretico Dolcino e la sua setta.
Esule, questa volta a Biella, fu anche il vescovo Lombardino della Torre, prima della metà del XIV secolo, avversato dalla fazione scismatica seguace di Ludovico il Bavaro. Nello stesso periodo Vercelli passò sotto il controllo dei Visconti. Nella seconda metà del secolo e agli inizi del successivo Vercelli ebbe molto a soffrire per i contrasti tra i sostenitori di papi diversi. Due vescovi aderirono allo scisma e furono privati dell’incarico.
Nel 1427 Vercelli divenne dominio di Casa Savoia, posto sul confine orientale dello stato, segnato fino al 1734 dal fiume Sesia.
Il 18 aprile 1474 cedette una porzione del suo territorio a vantaggio dell’erezione della diocesi di Casale Monferrato.
Il 1º giugno 1772 cedette un’altra porzione del suo territorio a vantaggio dell’erezione della diocesi di Biella, che fu poi soppressa durante il periodo napoleonico dal 1803 al 1817, ritornando ad essere compresa nella diocesi vercellese.
Il 17 luglio 1817 è stata elevata al rango di arcidiocesi metropolitana ed aveva come suffraganee Alessandria, Biella e Casale Monferrato. Già originariamente vi era da parte di papa Pio VII il progetto di aggiungere alle suffraganee le diocesi di Novara e di Vigevano, reso esecutivo il 26 novembre dello stesso anno.
La diocesi di Vigevano è entrata a far parte della metropolia di Milano il 17 luglio 1974.