Biskupství bylo v Lyonu založeno v průběhu 2. století, na arcibiskupství bylo povýšeno v průběhu 3. století.
V důsledku konkordátu z roku 1801 byly 29. listopadu1801 zrušeny diecéze Belley a Mâcon, jejichž území bylo zcela (v případě diecéze Belley) a zčásti (v případě diecéze Mâcon), včleněno do území lyonské arcidiecéze.
Belleyská diecéze byla 6. října1822 obnovena, k témuž datu došlo i ke změně názvu arcidiecéze na Lyon-Vienne.
K další územní ztrátě došlo v lyonské arcidiecézi 26. prosince1970, kdy byla zřízena diecéze Saint-Etienne (českyDiecéze svatoštěpánská).