Se trata de una diócesis latina, inmediatamente sujeta a la Santa Sede.

Destruida por los romanos en el siglo III a. C., la población se desplazó a lo largo de las orillas del lago hasta fundar Volsinii novi, hoy Bolsena.

Los primeros testimonios cristianos se remontan a los siglos IV y V.

Según Louis Duchesne,[7]​ debido a la destrucción de su ciudad por los lombardos (573-575),[8]​ los obispos de Bolsena trasladaron su sede a Orvieto, continuando durante un cierto período ostentando el antiguo título episcopal.

Una inscripción mutilada que comienza con in nomine Dni nostri Iesu C(hristi), que es del siglo VI o VII y fue encontrada cerca de Orvieto podría, según Giovanni Battista de Rossi, hacer referencia a un obispo anónimo de Orvieto, que vivió 40 años antes de ser obispo, y que ocupó este cargo durante 11 años.

[9]​[6]​ Durante el gobierno del conde lombardo Farolfo (hacia el siglo VIII) la ciudad acogió la presencia de Romualdo.

[6]​ Son pocos los obispos conocidos de la época altomedieval, que en su mayoría participaron en los concilios convocados en Roma por los sumos pontífices.

Al menos hasta principios del siglo XII, los obispos de Orvieto también ejercieron el poder civil sobre la ciudad y su territorio; esta autoridad terminó con el ascenso del municipio y su alianza con el capítulo de canónigos contra el obispo Hildebrando (1140-1154).

En la lucha entre güelfos y gibelinos, que animó la ciudad durante los siglos centrales de la Edad Media y que desembocó en el sangriento asesinato del alcalde güelfo Pietro Parenzo (1199), un obispo gibelino logró imponerse en la silla de Orvieto, establecido por el antipapa Anacleto II, y al mismo tiempo se difundieron movimientos heréticos, entre ellos los cátaros, contra los cuales la dura represión implementada por el obispo Ricardo (1179-1200) tuvo poco éxito.

Francisco de Asís predicó en el condado orvietano en La Scarzuola, cerca del Monte Giove.

En Pantanelli se conserva la gruta que hospedó a Jacopone da Todi.

Al mismo tiempo, también se extendió el movimiento de penitencia, que tuvo su máximo exponente en la beata Vanna, terciaria dominicana, fallecida en 1306.

Según la tradición, entre 1263 y 1264 se produjo el famoso milagro eucarístico en la iglesia de Santa Cristina en Bolsena, aprobado por el obispo Giacomo Maltraga.

[15]​ En Orvieto fue levantado un templo en la parte más alta de la ciudad en 1290, en el cual se dedicó una capilla especial al Corporal (1350).

La catedral, de estilo tardo románico, fue diseñada por Arnolfo di Cambio.

[22]​ En el siglo IV, una posesión llamada Angulas, donada según el Liber Pontificalis por el emperador Constantino I, rindió homenaje a la basílica de la Santa Cruz en Jerusalén en Roma.

Hacia mediados del siglo VI se conoce al obispo san Fortunato, mencionado en los Diálogos de Gregorio Magno.