Forma parte de la provincia eclesiástica de Burgos, y depende de la archidiócesis de Burgos. La sede de la diócesis palentina es la catedral de san Antolín.
Los límites geográficos establecidos por Sancho III el Mayor para la diócesis de Palencia en 1034, estaban señalados por el río Cea hasta el Duero, y desde el Pisuerga hasta Peñafiel y Portillo. El último gran cambio de límites tuvo lugar en 1955, al hacer coincidir los límites eclesiásticos con los provinciales.
La diócesis palentina es tierra de santos y beatos, por nacimiento o por una vinculación especial con ella. Podemos destacar entre los santos a: el mártir San Antolín, el obispo Santo Toribio, San Pedro de Osma, San Julián de Cuenca, Santo Domingo de Guzmán, San Zoilo, San Pedro Regalado, San Francisco Fernández Capillas OP, San Rafael Arnáiz, san Manuel González.
Mikel Garciandia es el obispo de Palencia desde el 31 de octubre de 2023.