El territori s'estén sobre 3.549 km² i està dividit en 412 parròquies, agrupades en 14 vicariats: Bazzano, Bologna Ravone, Bologna Centro, Bologna Nord, Bologna Ovest, Bologna Sud Est, Budrio, Castel San Pietro Terme, Cento, Galliera, Persiceto-Castelfranco, Porretta Terme, San Lazzaro-Castenaso, Setta i Vergato.
La seu arxiepiscopal es troba a la ciutat de Bolonya, on es troba la catedral de Sant Pere.
A l'arxidiòcesi 25 esglésies tenen funcions de santuari (13 a la ciutat). A més del capítol de la catedral, tenen un capítol de canonges les col·legiates de San Petronio vescovo, Santa Maria Maggiore a la basílica dei Santi Bartolomeo e Gaetano, San Giovanni Battista in Persiceto (a la ciutat homònima), Santa Maria Maggiore (a Pieve di Cento), San Biagio (a Cento).
Les primeres notícies sobre l'existència de la primera comunitat cristiana a Bolonya són cap a finals del segle iii, amb el martiri de tres dels seus membres: salt Pròcol, Vidal i Agrícola.
La data d'erecció de la diòcesi és incerta, però generalment se senyala el segle iii o inicis del IV, quan es troben notícies del primer bisbe, Zama. Bolonya és una de les poques diòcesis de les quals es conserva un catàleg episcopal, fins al segle xiii, derivat dels díctics diocesans. Des del segle iv era sufragània de Milà. Cap a finals del segle v passà a formar part de la província eclesiàstica d'arquebisbat de Ravenna.
A les lluites entre l'Imperi i el Papat durant els segles xi i xii i durant els anys de govern de Frederic Barba-roja, Bolonya es va mantenir fidel al Pontíxex, tot i que sovint l'emperador aconseguí bisbes cismàtics oposats als legítims.
El 1088 s'instituí la Universitat, que possiblement té l'origen en les antigues escoles episcopals i capitulars. L'examen final i la concessió de graus tenien lloc a la catedral des d'inicis del segle xiii i fins al xviii, i moltes càtedres de la universitat van ser confiades al clergat.
El 1131 es va concloure un acord amb l'abadia de Nonantola, que havia estat dissolta per la dependència de la diòcesi de Mondena i estava ansiosa de separar-se. Segons l'acord els monjos de Nonantola, pel seu costat, haurien de ser consagrats només pels bisbes de Bolpònia.
La nit de Nadal del 1223, un devastador terratrèmol va destruir el sostre de la catedral.
El 1306 Bolonya va prendre les armes contra el legat apostòlic cardenalNapoleone Orsini, i com a conseqüència la ciutat va ser excomunicada. La universitat va ser clausurada i els professors es traslladaren a Pàdua. L'any següent, els bolonyesos van aconseguir la remissió de l'inderdit i la reopertura de la universitat. El 17 de maig de 1567 s'instituí el seminari diocesà, enmig de les reformes de la diòcesi obra del cardenal Gabriele Paleotti, segons els decrets del Concili de Trento.
Al segle xvii augmentaren els instituts de caritat, reconstruint-se els edificis de culte i intensificant-se les pràctiques religioses.
El 1723 s'inicià la construcció del santuari de la Madonna di San Luca, que va ser consagrat el 1765. Durant tot el segle, l'esperit de la Il·lustració va topar amb l'oposició d'un renovat zel pastoral, on els puntals eren les obres de caritat i el catecisme.
El 1796 els francesos van introduir un nou ordre polític a la ciutat, en contra de la religió. Particularment, se suprimiren els ordes religiosos; les cofradies i les obres de caritat i assistència van ser secularitzades, expulsant-se als clergues.
Després de l'annexió al Regne de Sardenya el 1859 vingué una nova onada d'esperit anticlerical: fins al 1882 els arquebisbes no van poder residir al palau arquebisbal, obligan-los a viure al seminari. La diòcesi respongué mitjançant la intensificació de les institucions educatives i caritatives.
Els anys del Concili Vaticà II es caracteritzaren per la presència a la ciutat del cardenal Giacomo Lercaro, un dels protagonistes del Concili, donant a la diòcesi un gran impuls a la reforma litúrgica i al paper dels catòlics a la política.
El 1989 l'arquebisbe cardenal Giacomo Biffi, l'episcopat del qual es distingí per la riquesa teològica i doctrinal, va fer néixer la iniciativa oratòria Estate Ragazzi, que es difongué per tota l'Emilia-Romagna, a més de per parts de la Llombardia i Sicília.