La diócesis probablemente fue fundada a finales del siglo III.

En la época de Clodoveo I había en Nantes una iglesia dedicada a san Similiano.

En cambio, el primer obispo históricamente documentado es Desiderio, destinatario de una carta del año 453.

En el siglo VIII, dos condes, Agateo y Amitto, que nunca fueron obispos consagrados, usurparon la sede de Nantes, combinando los títulos de conde y obispo; el primero pasó a la historia como un personaje muy cruel.

Según algunas fuentes históricas, en esta época también vivieron dos obispos guerreros, Emiliano y Salvio, de quienes se dice que lucharon contra los árabes.

A principios del siglo XVIII, san Luis María Grignion de Montfort estuvo presente en Nantes y en la diócesis, en diferentes épocas .

Tuvo que ceder partes de su territorio a las diócesis de Rennes, Vannes, Angers y Luçon y al mismo tiempo incorporó algunas parroquias que pertenecían a las diócesis de Rennes y Luçon.