Creada el 11 de febrero de 1957 con la bula "Quandoquidem adoranda" de Pío XII. Comprende todo el territorio de la provincia de La Pampa.

El primer obispo fue Mons. Jorge Mayer, elegido por Pío XII el 13 de marzo de 1957. Recibió la consagración episcopal el 9 de junio de 1957 y tomó posesión de esta diócesis el 29 de junio de 1957. El 31 de mayo de 1972 fue promovido a la sede arzobispal de Bahía Blanca.

Lo sucedió Mons. Adolfo Roque Esteban Arana, elegido por Pablo VI el 23 de febrero de 1973. Fue consagrado el 1 de abril de 1973 y tomó posesión de la sede pampeana el 8 de ese mes y año. El 6 de agosto de 1984 fue trasladado a la diócesis de Río Cuarto.

Tercer obispo fue Mons. Atilano Vidal, quien siendo obispo auxiliar de Rosario, el 24 de mayo de 1985 fue trasladado por Juan Pablo II a la sede episcopal de Santa Rosa, de la que tomó posesión el 4 de agosto de 1985. Falleció el 28 de junio de 1991.

Cuarto obispo de Santa Rosa fue, Mons. Rinaldo Fidel Bredice, elegido por Juan Pablo II el 31 de enero de 1992. Recibió la ordenación episcopal y tomó posesión de esta sede el 19 de marzo de 1992. Renunció por edad el 24 de junio de 2008.

El quinto obispo fue Mons. Mario Aurelio Poli, quien siendo obispo auxiliar de Buenos Aires, fue trasladado a esta sede el 24 de junio de 2008; tomó posesión e inicio su ministerio pastoral el 30 de agosto de 2008.

El actual obispo es Monseñor Raúl Martín que asumió el sábado 30 de noviembre de 2013 la sede episcopal de Santa Rosa, e inició su gobierno pastoral como sexto obispo diocesano.