La costituzione dell'Archivio risale alla metà del XVI secolo: il fondo piu' antico, nonché più prezioso, considerata la presenza di circa 1200 pergamene, di quello che oggi definiamo Archivio Storico Diocesano risale, infatti, a questo periodo, ed è relativo al Capitolo della Cattedrale. Tale documentazione fu collocata presso la chiesa di S. Maria dei Canali, alla quale erano demandate le funzioni di chiesa cattedrale; alla fine degli anni 80 del XVI secolo un incendio di ampie proporzioni danneggiò la chiesa: probabilmente buona parte del materiale documentario più antico andò perduta in quell'incidente.
Tra il 1574 e il 1575, iniziarono i lavori di costruzione della nuova chiesa Cattedrale, dedicata a San Lorenzo e Santa Maria Assunta: nel 1583 avvenne la consacrazione della nuova chiesa cattedrale ed è in questo torno di anni che l'Archivio Capitolare venne trasferito presso l'odierna cattedrale. Nel 1656 il vescovo Carlo Settala, approfittando dei lavori di ampliamento del palazzo vescovile, fece costruire un'aula per l'archivio, come ricorda la lapide commemorativa ancora oggi ben leggibile nel cortile interno della Curia Vescovile. Nel corso del secolo XVIII si susseguirono interventi al corpo dell'edificio che interessarono anche la sede dell'archivio: nel 1789 venne ristrutturata la sala del Capitolo ed aperta una porta che tuttora mette in comunicazione la sacrestia capitolare ed il presbiterio, mentre nel 1795 il coro venne direttamente collegato alla scala dell'archivio, tramite l'apertura di un passaggio nel muro absidale.
L'antica documentazione che oggi costituisce il fondo Archivio capitolare è stata trasferita dalla sala sovrastante la sacrestia della Cattedrale, dove era conservata dall'inizio del XX secolo, ai locali del Seminario Diocesano adibiti a deposito della documentazione archivistica.
L'Archivio Storico Diocesano è costituito da altri due fondi: Mensa Vescovile e Curia Vescovile, entrambi citati per la prima volta nella suddetta iscrizione epigrafica del 1656 dalla quale si desume che la documentazione abbia subito notevoli depauperamenti, poiché anche l'Archivio Vescovile ha attraversato vicende analoghe a quelle dell'Archivio Capitolare, con un notevole susseguirsi di trasferimenti. Nei primi anni del sec. XVII è stato operato un riordino generale della documentazione, probabilmente in conformità alle direttive del Card. Borromeo, nelle quali era prescritto che i documenti d'archivio fossero raccolti in volumi o in filze, protetti da due cartoni. In un secondo tempo l'Archivio venne sistemato al pianterreno, nei locali della Curia, oggi occupati dall'Ufficio Missionario: qui nel 1944 subì le disastrose conseguenze di un bombardamento aereo e di una successiva infiltrazione d'acqua, che recò ingenti danni a parte del materiale (ancora oggi alcune Visite Pastorali del sec. XVII sono parzialmente illeggibili). Nel corso degli anni Cinquanta l'archivista di Curia, Don Erminio Garberi, iniziò un'opera di controllo e di risistemazione, culminata nel 1958 nella redazione di un registro topografico d¿inventario: in esso si offre una descrizione sommaria del materiale documentario che, però, non interessa la natura del materiale stesso, né l'organizzazione di questo secondo una concatenazione logica o cronologica, ma soltanto una descrizione fisica, sulla base della disposizione materiale della documentazione sugli scaffali.
Nel settembre del 1981 confluì nell'Archivio diocesano anche l'archivio della Confraternita della SS.ma Trinità di N.S. di Loreto: la basilica omonima era ormai sconsacrata ed era stata alienata al comune di Tortona, perciò le carte erano esposte a seri rischi di dispersione e danneggiamenti.
Le carte della Confraternita hanno conservato la loro individualità e integrità all'interno dell'Archivio storico diocesano con la denominazione "Fondo della Confraternità della SS.ma Trinità di N.S. di Loreto".
