Das Bistum Natal wurde am 29. Dezember 1909 durch PapstPius X. aus Gebietsabtretungen des Bistums Paraíba errichtet und dem Erzbistum São Salvador da Bahia als Suffraganbistum unterstellt. Am 5. Dezember 1910 wurde das Bistum Natal dem Erzbistum Olinda e Recife als Suffraganbistum unterstellt. Das Bistum Natal wurde am 6. Februar 1914 dem Erzbistum Paraíba als Suffraganbistum unterstellt. Am 28. Juli 1934 gab das Bistum Natal Teile seines Territoriums zur Gründung des Bistums Mossoró ab. Eine weitere Gebietsabtretung erfolgte am 25. November 1939 zur Gründung des Bistums Caicó.
Am 16. Februar 1952 wurde das Bistum Natal zum Erzbistum erhoben.