Nonostante l'erezione canonica della prelatura territoriale, il primo prelato a giungere a Cuiabá fu Luiz de Castro Pereira, nel 1808. Fino ad allora era stato nominato solo un altro prelato, nel 1782, cioè dopo trentasei anni dall'erezione della prelatura, che però non si recò mai a Cuiabá, e infine fu trasferito alla prelatura territoriale di Goiás nel 1788. Il suo successore fu nominato sedici anni dopo e ne impiegò altri quattro prima di prendere possesso della sede.
Il 15 luglio 1826 la prelatura territoriale fu elevata a diocesi con la bollaSollicita Catholici Gregis Cura di papa Leone XII.
Il 12 maggio 1914, il 22 marzo 1929 e il 13 luglio 1940 ha ceduto altre porzioni di territorio a vantaggio dell'erezione rispettivamente delle diocesi di Registro do Araguaia (in seguito diocesi di Guiratinga), di Diamantino e della prelatura territoriale di Chapada (oggi diocesi di Rondonópolis-Guiratinga). Il 25 giugno 2014 ha ceduto alcune porzioni di territorio a vantaggio della diocesi di Rondonópolis, che contestualmente ha assunto il nome di Rondonópolis-Guiratinga.
Cronotassi dei vescovi
Si omettono i periodi di sede vacante non superiori ai 2 anni o non storicamente accertati.
Sede vacante (1745-1782)
José Nicolau de Azevedo Coutinho Gentil † (23 gennaio 1782 - 7 marzo 1788 nominato prelato di Goiás) (vescovo eletto)
Sede vacante (1788-1804)
Luiz de Castro Pereira, C.S.I. † (29 ottobre 1804 - 1º agosto 1822 deceduto)
Sede vacante (1822-1832)
José Maria de Macerata, O.F.M.Cap. † (23 agosto 1823 - 1831 dimesso) (vescovo eletto)
José Antônio dos Reis † (2 luglio 1832 - 11 ottobre 1876 deceduto)
Carlos Luiz d'Amour † (21 settembre 1877 - 9 luglio 1921 deceduto)
Francisco de Aquino Correa, S.D.B. † (26 agosto 1921 - 22 marzo 1956 deceduto)
Orlando Chaves, S.D.B. † (18 dicembre 1956 - 15 agosto 1981 deceduto)
Bonifácio Piccinini, S.D.B. † (15 agosto 1981 succeduto - 9 giugno 2004 ritirato)
Mílton Antônio dos Santos, S.D.B. (9 giugno 2004 succeduto - 23 febbraio 2022 ritirato)
