La Diócesis de Cartago fue creada el 16 de marzo de 1962 mediante la Bula Sollicitudo Omnium por Su Santidad el Papa Juan XXIII. El anuncio fue dado por El Señor Nuncio José Paupini en la misma ciudad de Cartago.
Los preparativos para la llegada del Nuevo Obispo Diocesano comenzaron a organizarse y los dirigieron los dos únicos Párrocos que tenía en aquel entonces la ciudad. El de San Jorge, el padre Tobías Henao y el de La Pobreza, el padre Salvador Cano. Monseñor José Gabriel Calderón, hasta ese entonces Obispo Auxiliar de Bogotá, fue nombrado como el Primer Obispo de la recién creada Diócesis de Cartago.
El día 25 de junio de 1962 llega Monseñor Calderón a la ciudad de Cartago y al día siguiente se lleva a cabo la solemne Eucaristía de posesión en la Iglesia Catedral Nuestra Señora del Carmen. Durante los 33 años al frente de la Diócesis Monseñor Calderón realizó entre otras cosas: la fundación de los seminarios mayor y menor, de varios colegios diocesanos, la creación de nuevas parroquias y centros de cultos, la ordenación de sacerdotes para la diócesis, la creación de la corporación diocesana pro-comunidad cristiana, la redacción de material de apoyo para la catequesis junto al esfuerzo por estimular el apostolado de los laicos.
Al llegar a la edad señalada por las normas de la iglesia, los 75 años, presentó al Santo Padre con sencillez y disponibilidad, la renuncia al gobierno pastoral de la diócesis, la cual fue aceptada el 19 de abril de 1995, a la vez que se publicaba la decisión de la Santa Sede de nombrar como su sucesor a Monseñor Luis Madrid Merlano.
Monseñor Madrid Merlano fue ordenado obispo el 3 de Julio de 1988 y enviado a Tibú, en Norte de Santander, donde se desempeñó durante siete años. Llegó a la Diócesis de Cartago el 9 de junio de 1995 y al día siguiente tomó posesión como segundo obispo de esta Iglesia particular.
El 30 de marzo de 2010, monseñor Madrid Merlano es nombrado como arzobispo de Nueva Pamplona, de la cual toma posesión el 22 de mayo del mismo año. Fue nombrado administrador apostólico de la diócesis monseñor Alberto Giraldo Jaramillo, arzobispo emérito de Medellín, hasta el mes de noviembre de 2010.
El 27 de noviembre toma posesión canónica de la catedral como tercer obispo de la Diócesis de Cartago, monseñor José Alejandro Castaño Arbeláez, quien fue nombrado el 21 de octubre de 2010, a Monseñor José Alejandro Castaño se le acepta la renuncia el día 31 de octubre de 2020 y fue nombrando Monseñor José Roberto Ospina Leongomez, obispo de Buga, como administrador apostólico de la Diócesis.
El 18 de octubre de 2021 el papa Francisco nombra como nuevo obispo de Cartago a Monseñor César Alcides Balbín Tamayo; hasta entonces obispo de Caldas- Antioquia, quien tomó posesión de la Diócesis de Cartago el día 9 de diciembre de 2021.
Monseñor José Gabriel Calderón Contreras, primer Obispo
Monseñor Luis Madrid Merlano, segundo Obispo
Monseñor José Alejandro Castaño Arbeláez, tercer Obispo
Monseñor César Alcides Balbín Tamayo, cuarto Obispo