A orixinaria sé episcopal é a cidade de Tui, na que se acha a catedral de Santa María, pero desde o ano 1959 comparte a capitalidade eclesiástica coa cidade de Vigo, motivo polo que a diocese pasou a chamarse de Tui-Vigo.
Segundo a tradición cristiá, a comezos do século I o apóstolo Santiago evanxelizou a cidade de Tui, fundando así a primeira comunidade cristiá que daría pé á diocese e nomeando a santo Epitacio como o seu primeiro bispo. Con todo, ata mediados do século VI non se ten certeza documental plena da existencia da diocese nin dos seus bispos.
A creación da diocese de Tui respondeu posiblemente ao proceso de implantación do cristianismo que a partir do edicto de Milán do ano 313 estaba a se desenvolver no Imperio Romano. As grandes e medianas cidades do Imperio convertéronse axiña en centros que irradiaban as novas crenzas relixiosas e onde se asentaban as primeiras estruturas administrativas eclesiásticas. É deste contexto histórico de onde xorde probablemente a verdadeira creación dun centro eclesiástico administrativo na antiga cidade galaico-romana de Tude, e que finalmente suporá a fundación desta diocese nalgún momento entre os séculos IV e VI.
A primeira nova da existencia da diocese é do no Segundo Concilio de Braga (ano 572) auspiciado polo rei galaico-suevo Miro, onde o primeiro bispo tudense coñecido, Anila, subscribe as actas como Anila Tudensis ecclesiae episcopus his gestis subscripsi. Neste marco histórico oficialízase a demarcación territorial da diocese, que entre os séculos VI e XIV comprendeu os territorios comprendidos entre a ría de Vigo e o río Limia e dende as costas oceánicas ata a serra do Leboreiro.
A independencia do condado de Portugal do reino de Galiza a comezos do século XII suporá a división da diocese entre ambos reinos polo río Miño. Finalmente no século XIV prodúcese a esgazadura final da metade sur da diocese debido a que os cóengos e vigairos con xurisdición en Portugal eran favorables á lexitimidade de Urbano VI, mentres que o bispo de Tui, D. Xoán Fernández de Soutomaior, e os capitulares ao norte do río Miño apoiaron a Clemente VII, o papa de Aviñón. No ano 1452, consumouse a ruptura, pois a colexiata de Valença foi adscrita á diocese de Ceuta[Cómpre referencia] e, posteriormente, en 1514, á diocese de Braga, perdendo Tui a zona comprendida entre o río Miño e o Limia.
A cultura liberal e ilustrada, que invadiu Europa no século XIX, tamén tivo a súa repercusión na diocese tudense. E, así, cando en 1813 foron abolidos os señoríos xurisdicionais, o bispo e o cabido víronse obrigados a unha maior concentración na súa misión relixiosa. Tamén a desamortización de Mendizábal (1836) produciu o abandono na diocese de importantes mosteiros, coma o de Santa María de Oia e o de Melón, e a perda de patrimonio artístico e documental.
En 1959 o papa Xoán XXIII pola bula Quemadmodum impiger concédelle a dobre titularidade Tudensis-Vicensis á diocese, elevando a rango de concatedral o templo de Santa María de Vigo e trasladando a esta cidade a sé do bispo e máis a do cabido.
Avila y La Cueva, Francisco (edición facsímile 1995). Historia Civil y Eclesiástica de la Ciudad de Tuy y su Obispado. Tomo IV (Os Bispo de Tui). Santiago: Consello da Cultura Galega. p. 416. ISBN84-87172-02-4.