Wydzielona ona została z archidiecezji warszawskiej. Decyzję tą potwierdził bullą Christi Domini. Pierwszym ordynariuszem diecezji został ks. Wincenty Tymieniecki, dotychczasowy proboszcz parafii św. Stanisława Kostki w Łodzi. Ten kościół parafialny stał się katedrą. Ks. Tymieniecki otrzymał sakrę biskupią 29 czerwca 1921 r. właśnie w kościele. Następnie zaczął organizować nową diecezję. Powołał instytucje centralne: kurię biskupią, sąd biskupi, seminarium duchowne, kapitułę katedralną itd.

Pierwsze lata po powstaniu diecezji naznaczone były dynamicznym rozwojem zarówno struktury organizacyjnej, jak i tworzenia (z zachowaniem tradycyjnych) nowych form duszpasterskich, jak np.: Akcja Katolicka, stowarzyszenia religijne, wydawano prasę katolicką i rozwinięto działalność społeczno-charytatywną, zwłaszcza wśród robotników.

Ten czas rozwoju przerwała II wojna światowa. Znaczna część terytorium diecezji znalazła się na ziemiach wcielonych do III Rzeszy. Tam działalność religijna przestała istnieć. Ówczesny ordynariusz bp Włodzimierz Jasiński został wysiedlony do Generalnej Guberni. Znaczna część duchowieństwa została aresztowana w ramach akcji z 5-7 października 1941 r. i osadzona w obozie koncentracyjnym w Dachau. Świątynie zostały zamknięte i w większości zamienione na magazyny. Funkcjonowały tylko parafie (26) znajdujące się na terenie Generalnej Guberni.

Po wojnie powracało życie religijne w diecezji. Najpierw odbudowywano i oddawano do użytku świątynie i przywracano służbę Bożą. Nowa władza znacznie ograniczyła możliwości działania duszpasterskiego, wprowadzając administracyjne zakazy rozwoju duszpasterstwa, zwłaszcza o charakterze oświatowym i społecznym.

Nowy duch w działalność duszpasterską wstąpił po 1989 r., gdy Polska odzyskała wolność i Kościół mógł swobodnie funkcjonować w społeczeństwie. W 1992 r. diecezja została podniesiona do rangi archidiecezji, a w 2004 r. stała się metropolią.