Zagrebačka biskupija graničila je u srednjem vijeku na istoku i sjeveroistoku s Pečujskom biskupijom, na sjeverozapadu sa Salzburškom nadbiskupijom, na zapadu s Akvilejskim (Oglaj) patrijarhatom, na jugu s Krbavskom i Kninskom biskupijom i na jugoistoku s Bosanskom biskupijom.
Površina biskupije više se puta tijekom povijesti mijenjala. U vrijeme osnutka biskupije njezine su se granice uglavnom podudarale s granicama banovine Slavonije, tj. onog dijela Hrvatske koji je Ladislav otkinuo od hrvatske države (između Drave, Save i Gvozda) i dao sinovcu Almošu.
U 14. stoljeću granica je na sjeveru obuhvaćala Prekmurje (župe Svi Sveti, Oltarec, Banok, Sveti Lovro, Čestreg i Sveti Juraj) i Prekodravlje (Berzencze i Babocsa), u današnjoj Mađarskoj. Iz Prekmurja, granica se spuštala na jug, presjekla rijeku Dravu, te tekla današnjom hrvatsko-slovenskom granicom na Sutli, do ušća u rijeku Savu. Od Save na zapadu obilazila je Gorjance i spuštala se dalje prema jugu, ali tako da je obuhvaćala gradove Žumberak, Metliku i Črnomelj.

Južnu granicu „činila je crta povučena nedaleko od Močila na Kupi do Budačkog blizu Korane, pa kraj Slunja (ali bez njega), Cetina i Bužima do Novog na Uni, a onda se spuštala na jug obuhvaćajući sredovječne županije dubičku, sansku i vrbasku u današnjoj sjeverozapadnoj Bosni, te se nastavljala sve do Save kod Stare Gradiške, gdje je onda Strugom i Sloboštinom te Rasaskom graničila s Pečujskom biskupijom, sve do Drave kod Viljeva“ (Šišić, Priručnik, Zagreb 1914., str. 346 sl.).
Njezine najdalje isturene točke u sadašnjoj Bosni bile su Petrovac i Smoljana pod Grmeč-planinom, Rastik između Banja Luke i Jajca te Glaža „na granici Usore“, na kojem području je 1881. godine ustanovljena Banjalučka biskupija. U istom 14. stoljeću otrgnuto je od Zagrebačke biskupije područje oko Metlike i Črnomlja i pripojeno Akvilejskoj patrijaršiji.
 
Zagrebačka biskupija imala je od svoga osnutka Stolni kaptol u Zagrebu, kasnije najveći i najugledniji Kaptol u bivšoj Habsburškoj monarhiji, a od 1232. godine djeluje i Zborni kaptol Duha Svetoga u Čazmi (1232.-1549.), koji se pred turskim nadiranjem sklonio u Zagreb (1549.-1807.), potom u Lepoglavu (1807.-1811.) i konačno u Varaždin (1811.). Na čelu Prvo/Stolnog kaptola je veliki predstojnik (prepozit ili prepošt) Zagrebački, koji je od 1625. godine dobiva mjesto i glas u Ugarskom saboru, te naslov s realnim prihodima „priora Vranskog, opata Sv. Margarete de Bela (1625.-1740., kada opatija postaje samo naslovna, pa ju kasnije dobivaju i drugi kanonici) i tajnog carskog savjetnika“. Zborni kaptol Duha Svetoga imao je od osnutka 1232. do 1942. godine svoga predstojnika (prepošta, „prepozita Čazmanskog“), uvijek iz redova zagrebačkih kanonika, te je ondje zauzimao prvo mjesto, odmah iza dostojanstvenika (kolumna: velikog predstojnika zagrebačkog, lektora i kantora, odnosno  i kustosa tek od Alagovićevog vremena), a ispred svih arhiđakona. Već prije 1287. godine Kaptol je utemeljio i Zbor nadarbenika (prebendara) od 12 svećenika. Kaptoli su, uz crkvene poslove, bili i „vjerodostojna mjesta“ (loci credibiles) sve do 1848. godine ili ustanove koje izdanim privatnim i javnim ispravama jamče „publicam fidam“, ovjerovljuju i pohranjuju spise državnog i općedruštvenog značenja.

U Zagrebu djeluje kaptolska, odnosno katedralna škola, koja  ima svoju dugu povijest, uz postojanje Zagrebačke biskupije i Stolnog kaptola. Već postojeću „katedralnu školu“, kako spominju kaptolski Statuti iz 1334. godine, preuredio je i unaprijedio zagrebački biskup Bl. Augustin Kažotić (1303.-1322.), po uzoru na dominikanska studia sollemnia i praksu visokih škola u Italiji i Francuskoj, pa je uz učenje filozofije i teologije uveden i odsjek za studij slobodnih umijeća (artes liberales). Naime, još je kan. 18. Trećeg lateranskog općeg sabora 1179. godine odredio, da svaka stolna crkva mora imati svoga učitelja , koji će poučavati siromašne đake i klerike. Razumljivo da je i u Zagrebu oživotvorena ta odluka Trećeg lateranskog općeg sabora. U Zagrebu su u postojećoj školi u tom razdoblju kanonici vršili službu odgojitelja i učitelja, uz osobitu obazrivost prema siromašnim đacima bez prihoda. Kasnije je biskup Juraj Drašković (1563.-1584.) po zaključcima Tridentinskog sabora 1576. godine obnovio zagrebačko sjemenište na Kaptolu, koje je nosilo službeno ime „Seminarium venerabili Capituli Zagraabiensis“ ili Alumnatus venerabilis Capituli“. Stolni kaptol otvorio je i Hrvatski kolegij u Beču, kao i Hrvatski zavod u Bolonji, gdje su pitomci Crkve zagrebačke stoljećima dobivali visoku stručnu spremu, a koje je dokinuo car Josip II. 1786. godine, u okviru svojih „reformi“.
 
Prostrana Zagrebačka biskupija imala je u XIV. stoljeću više od 450 župa podijeljenih u 14 arhiđakonata: Gora, Zagorje, Gušće, Svetačje, Katedralni arhiđakonat, Dubica, Komarnica, Gorica, Kalnik, Vaška, Čazma, Bekšin, Vrbovec (de Urbocz) i Varaždin, što je vidljivo u kaptolskim Statutima iz 1334. godine, dok je biskup Ivan Paksi 1770. godine ustanovio Turopoljski arhiđakonat, odijelivši od velikog Katedralnog arhiđakonata svih 48 župa preko rijeke Save. Od tada postoji 15 arhiđakonata. Veliki predstojnici (prepoziti) Zagrebački, do uključivo grofa dr. Franje Salis-Seewisa (+1967.) ujedno su bili arhiđakoni Gore i Zagorja, a predstojnici Čazmanski, do uključivo dr. Josipa Volovića (+1942.) bili su arhiđakoni Gušća i Svetačja. Nakon spomenutih predstojnika i dostojanstvenika (columna) redali su se po časti ostali arhiđakoni, počevši od Katedralnog. Cvatući vjerski i narodni život vidi se iz Popisa župa Zagrebačke biskupije 1334. godine, kada ih je bilo više od 450, kao i iz Popisa svećenika zagrebačke biskupije iz 1501. godine, kada ih je popisano 818, a navodi se i 459 župa, s tendencijom rasta.

Zagrebačka biskupija bila je najmanja u vrijeme osmanlijskih osvajanja, jer zagrebački biskup nije mogao pravomoćno vršiti svoju službu na području okupiranom po Turcima. Crta razdvajanja išla je od Virovitice i Đurđevca preko Čazme prema Sisku i Karlovcu. Okupirani su čitavi arhiđakonati: Gorski i Dubički (područja u današnjoj Bosni), Gušće i Svetačje (u Slavoniji), Vaškanski i Komarnički (Podravina i srednjovjekovna Gornja Slavonija između Ilove i Glovnice), te Čazmanski od 1552. godine. To pokazuje i popis župa Zagrebačke biskupije na sinodi 1574. godine u Zagrebu, koju je sazvao biskup Juraj Drašković, a bilo ih je svega 206 s tendencijom pada. Poslije poraza Turaka kod Beča tijekom oslobodilačkog rata (1683.-1699.), površina se Zagrebačke biskupije povećala u Slavoniji, jer čitava središnja Slavonija više nije vraćena Pečujskoj biskupiji, kako je bilo prije Turaka, nego je pripojena 1701. godine Zagrebačkoj biskupiji, koja je 1771. godine imala 261 župu.
No prestankom turske vlasti u Bosni područje zapadne Bosne koje je prije Turaka bilo pod Zagrebačkom biskupijom, tzv. Turska Hrvatska, nije joj više nikada vraćeno, nego je uspostavom redovitih biskupija u Bosni i Hercegovini odlukom pape Leona XIII. 1881. godine taj dio Zagrebačke biskupije postao sastavnim dijelom Banjalučke biskupije.

Godine 1777. od Zagreba je odcijepljeno Prekmurje i Prekodravlje. Prekmurje je pripojeno novoosnovanoj Sombateljskoj biskupiji, a Prekodravlje Vesprimskoj biskupiji. Stoga Zagrebačka biskupija ima 1778. godine samo 231 župu, odnosno 30 manje nego šest goddina ranije. Godine 1900. bilo ih je 348, 1944. godine 385, a 1965. godine 407. Broj župa i dalje je rastao zbog povećanja gradskih i prigradskih naselja. Iako su to priječile komunističke vlasti i nisu davale dozvole za gradnju novih crkava, u vrijeme nadbiskupa dr. Franje Šepera i Franje Kuharića, sjedišta mnogih župa otvarana su u privatnim kućama i stanovima.
Najveće smanjenje područja Zagrebačke nadbiskupije dogodilo se 1997. i 2010. godine, ali ne zbog mijenjanja državnih granica ili zbog ratnih djelovanja, već zbog pastoralnih razloga, tj. osnivanja novih biskupija sa sjedištem u Požegi, Varaždinu, Bjelovaru i Sisku.