La diócesis fue creada el 17 de diciembre de 1952 con la bula Romanorum partes del papa Pio XII, con territorio desmembrado de la Diócesis de Cali (ahora arquidiócesis) y por Arquidiócesis de Popayán. Como primer obispo nombró a monseñor Jesús Antonio Castro Becerra, quien se posesionó el 5 de marzo de 1953.

El territorio Diocesano abarca un área de 3.500 kilómetros cuadrados, ubicado en el sur-oriente del Valle del Cauca. Esta es una gran planicie situada entre la Cordillera Central y la Cordillera Occidental, cruzada por el río Cauca.

El clima es cálido en la mayor parte de la región y templado en las poblaciones asentadas en las faldas de las cordilleras.

El 20 de junio de 1964 se convirtió en parte de la provincia eclesiástica de la arquidiócesis de Cali. El 29 de junio de 1966 cedió una porción de territorio a favor de la erección de la Diócesis de Buga.

El 20 de agosto de 1983, Mons. Castro Becerra se retira del gobierno pastoral por llegar a la edad canónica y es sucedido automáticamente por Mons. José Mario Escobar Serna, quien fungía como obispo coadjutor de Palmira con derecho a sucesión.

Mons. Escobar Serna gobernó hasta el 13 de octubre de 2000, posteriormente el 9 de abril de 2001 Mons. Orlando Antonio Corrales García es nombrado obispo de Palmira, posteriormente fue nombrado arzobispo de Santa Fe de Antioquia el 12 de enero de 2007.

El 2 de febrero de 2007, Mons. Abraham Escudero Montoya es nombrado obispo de Palmira, cargo que ocupó hasta su fallecimiento el 6 de noviembre de 2009.

A Monseñor Abraham lo sucedió Monseñor Edgar de Jesús García, nombrado por su santidad Benedicto XVI el 24 de mayo de 2010, tomando posesión canónica de la sede el 31 de julio del mismo año. Su renuncia fue aceptada por el Papa Francisco el 31 de mayo de 2024 y fue nombrado, ese mismo día, el sacerdote Rodrigo Gallego Trujillo, de la Diócesis de Buga, como nuevo obispo de la Diócesis. 

Monseñor Gallego recibió la ordenación episcopal el 10 de agosto de 2024 de manos de Mons. José Roberto Ospina Leongómez, obispo de Buga, en la Basílica del Señor de los MIlagros de Buga. Tomó posesión canónica de la sede asignada el 17 de agosto de 2024.