El primer documento que atestigua su existencia se remonta (se estima) a finales del siglo XI y fue uno de los redactados para renovar el archivo de la catedral tras un incendio.

Aunque tenía el nombre de Bisarcio, en memoria del antiguo centro, la sede episcopal estaba en Ozieri.

La nueva diócesis correspondió a las medievales de Bisarcio y Castro.

[7]​ En el primer período de su institución (1804-1847), los obispos se comprometieron no sólo al cuidado de las almas, sino también a la promoción social «para frenar el analfabetismo, promover la agricultura, construir y sostener estructuras comunitarias y pacificar algunas poblaciones en guerra».

[8]​ Al mismo tiempo, la diócesis tuvo que hacer frente a intentos periódicos de suprimirla, como ocurrió en 1816, 1835 y 1850.

Debido a desacuerdos entre la Iglesia y el Estado, la diócesis permaneció vacante desde 1847 hasta 1871, período durante el cual la legislación saboyana enajenó la mayor parte del patrimonio eclesiástico, con consecuencias también a nivel pastoral.

En 2001 un hijo de la diócesis, Mario Francesco Pompedda, fue elevado al cardenalato por el papa Juan Pablo II.