La arquidiócesis tiene 49 170 km² y extiende su jurisdicción sobre los fieles católicos de rito latino residentes en el departamento de Santa Cruz en las provincias de: Andrés Ibáñez, Warnes, Obispo Santistevan, Sara, Ichilo, Vallegrande, Florida, Caballero y una pequeña parte de la provincia Cordillera.
Su sede fue la ciudad de San Lorenzo Real de la Frontera (o San Lorenzo de la Frontera) hasta que en 1622 esta población fue trasladada a orillas del río Piray dando origen a la actual Santa Cruz de la Sierra.
En 1649 fue instituido el seminario diocesano, dedicado a san Juan Bautista, que fue cerrado a fines de 1661 y reabierto en 1770.
Hasta 1767 los obispos y canónigos prebendados residieron habitualmente en Mizque, dado la insania del clima en Santa Cruz de la Sierra y las continuas guerras con los indígenas.
[11] La arquidiócesis recibió la visita pastoral del papa Juan Pablo II en 1988 y del papa Francisco en 2015.