La diócesis fue erigida el 18 de octubre de 1925 con la bulaApostolicis muneris del papa Pío XI, obteniendo el territorio de la arquidiócesis de Santiago de Chile.[4] Su primer obispo fue Rafael Lira Infante.
En 1934 se estableció el seminario diocesano, dedicado a Cristo Rey.
El 30 de abril de 1970, en virtud del decreto Spirituali Christifidelium de la Congregación para los Obispos, adquirió la comuna de Santa Cruz, que pertenecía a la diócesis de Talca.[5] El 18 de junio del mismo año cedió el departamento de Maipo al arzobispado de Santiago de Chile.
El 25 de noviembre de 1987 fue nombrado obispo de Rancagua Jorge Medina Estévez, quien fue creado cardenal el 21 de febrero de 1998 por el papa Juan Pablo II.
En julio de 2003 Alejandro Goić Karmelić, entonces obispo de Osorno, fue nombrado por el papa Juan Pablo II como obispo coadjutor de Francisco Javier Prado, con derecho a sucesión.[6] Así en 2004 cuando Prado presentó la renuncia por edad, Goic se convirtió en el sexto obispo de Rancagua.[7]
El 8 de junio de 2021 el papa Francisco nombró como obispo de Rancagua y séptimo en la historia diocesana, a Guillermo Vera Soto, hasta entonces obispo de Iquique.[8] En una sencilla Eucaristía (debido a los cuidados de la pandemia del Coronavirus), asumió la Diócesis el 23 de julio de 2021.[9] Vera Soto asumió la diócesis el 23 de julio de 2021.
Estadísticas
Según el Anuario Pontificio 2021 la diócesis tenía a fines de 2020 un total de 699 568 fieles bautizados.
↑Del 28 de junio de 2018 al 29 de febrero de 2020 fue administrador apostólico Luis Fernando Ramos Pérez, obispo auxiliar de Santiago del Chile hasta el 27 de diciembre de 2019 y luego arzobispo metropolitano de Puerto Montt; del 2 de marzo de 2020 al 23 de julio de 2021, día de la toma de posesión de Guillermo Patricio Vera Soto, fue administrador apostólico Juan Ignacio González Errázuriz, obispo de San Bernardo.