1802 wurde aus dem einstigen Erzbistum das neue, zunächst linksrheinische Bistum Mainz, das 1821 als Landesbistum für das Großherzogtum Hessen(-Darmstadt) neu umschrieben wurde. Zwölf Bischöfe und ein Bistumsverweser leiteten seither die Diözese, von Joseph Ludwig Colmar (1760–1818) bis zu Peter Kohlgraf (*1967), dem aktuellen und 108. Mainzer Bischof.
Joseph Ludwig Colmar (1760–1818) war Bischof des unter französischer Herrschaft neu gegründeten Bistums Mainz, das dem Gebiet des Département Mont-Tonnere entsprach. Unter Colmars Führung erfolgte eine Neuordnung der diözesanen Strukturen, er rettete zudem den Mainzer und den Speyerer Dom vor dem Abriss. Des Weiteren gründete er das Mainzer Priesterseminar, aus dem die "erste Mainzer Schule" hervorging.
Im Zeitraum zwischen dem Tod von Bischof Colmar (1818) und der Neubesetzung des Mainzer Bischofsstuhles mit Bischof Burg (1829) agierte Johann Jakob Humann (1771–1834) als Bistumsverweser. In dieser Zeit wurde mit der Bulle "Provida solersque" (1821) die Oberrheinische Kirchenprovinz geschaffen, zu der auch Mainz zählt. Zwar war damit das Bistum Mainz neu umschrieben, doch erst nach den ergänzenden Bestimmungen der Bulle "Ad dominici gregis custodiam" (1827) konnten die konkreten Vorbereitungen für die Neubesetzung des Bischofsstuhles erfolgen. Nach dem Tod von Bischof Burg wurde Humann 1834 Bischof von Mainz (siehe Nr. 97).
Joseph Vitus Burg (1768–1833) war der erste Bischof des neuen Bistums Mainz. Durch ein vertrauensvolles Verhältnis zur Landesregierung und geschickte Verhandlungen gelang es ihm, weitgehenden Spielraum für sein Handeln zu gewinnen. Unter seiner Führung gelangte das neue hessen-darmstädtische Landesbistum zu einer Einheit.
Johann Jakob Humann (1771–1834) war nach dem Tod Bischof Colmars von 1818–1830 Bistumsverweser in Mainz und gestaltete in dieser Zeit die allmähliche Bildung des neuen großherzoglich-hessischen Landesbistums mit. Unter Bischof Burg war er von 1830–1833 als Generalvikar tätig, bevor er selbst 1834 Bischof wurde, jedoch bereits im gleichen Jahr verstarb.
Petrus Leopold Kaiser (1788–1848) setzte sich als 98. Bischof von Mainz für eine sorgfältige, pastoral konzentrierte Leitung des Bistums ein. Besonderen Wert maß er dabei der Verkündigung und dem Religionsunterricht zu und stellte Diözesanstatuten auf, die bis 1957 Geltung behielten. Zudem erwies er sich als Förderer der caritativ und erzieherisch tätigen Orden.
Nach dem Tod von Bischof Peter Leopold Kaiser wählte das Domkapitel am 22. Februar 1849 den Gießener Dogmatik-Professor Leopold Schmid (1808–1869) zum Bischof von Mainz. Die Ablehnung durch die Mitglieder des ultramontanen Mainzer Kreises um Domkapitular Adam Franz Lennig, die in Schmid einen Neuerer sahen und dabei Unterstützung durch den Wiener Nuntius Michele Viale Prelà und den Limburger Bischof Peter Josef Blum fanden, führte am 7. Dezember 1849 zur Verwerfung der Wahl durch Papst Pius IX.
Wilhelm Emmanuel Freiherr von Ketteler (1811–1877) war von 1850 bis 1877 Bischof von Mainz und zählte zu den bedeutendsten deutschen Bischöfen des 19. Jahrhunderts. Besonderes Augenmerk verwandte er auf die Folgen der Industrialisierung und auf die sogenannte Arbeiterfrage und befürwortete dabei eine staatliche Sozialpolitik. Damit wirkte er als Wegbereiter für die spätere Sozialenzyklika Papst Leos XIII. im Jahre 1891.
Christoph Moufang (1817–1890) zählte zu den prägenden Gestalten des ultramontanen, romorientierten Katholizismus. Er gilt als engagierter Verfechter der Kirchenfreiheit gegenüber dem Staat sowie als Unterstützer des Vereinswesens und des politischen Katholizismus. Von 1851 bis 1877 sowie erneut von 1887 bis 1889 leitete er das Mainzer Priesterseminar. Als vom Domkapitel gewählter Kapitularvikar, aber von der hessischen Regierung nicht anerkannt, übernahm Moufang im Geheimen von 1877 bis 1886 die interimistische Leitung des Bistums Mainz in päpstlichem Auftrag.
Der gebürtige Württemberger Paul Leopold Haffner (1829–1899) kam Mitte der 1850er Jahre als Professor für Philosophie an das kurz zuvor gegründete Mainzer Priesterseminar und fand in der Stadt am Rhein seine zweite Heimat. Nach der Beilegung des Kulturkampfes wurde Haffner vom Heiligen Stuhl nach Absprache mit der hessischen Regierung 1886 zum Bischof von Mainz ernannt. Als Hirte seiner Diözese, die er bis zu seinem Tod 1899 intensiv bereiste, war Haffner beim Kirchenvolk beliebt. In seinen dreizehn Amtsjahren organisierte er die Dekanatsstruktur neu und errichtete in der oberhessischen Diaspora zehn neue Pfarreien und Kuratien.
Heinrich Brück (1831–1903) stammte aus bescheidenen Verhältnissen, erhielt jedoch eine intensive außerschulische Förderung, die ihn zum Abitur führte. Seit 1857 war er als Lehrbeauftragter, seit 1861 als Professor für Kirchengeschichte am Mainzer Priesterseminar tätig. Als Kirchenhistoriker ultramontaner Prägung widmete er sich insbesondere der Geschichte der Oberrheinischen Kirchenprovinz sowie der Kirchengeschichte des 19. Jahrhunderts. Von 1900 bis zu seinem Tod 1903 leitete er die Mainzer Diözese, was ihm – bisher an ein zurückgezogenes Gelehrtenleben gewöhnt – nicht immer leicht fiel.
Von 1904 bis 1921 leitete Georg Heinrich Kirstein (1858–1921) die Mainzer Diözese. Zuvor hatte er als Seelsorger an verschiedenen Stellen im Bistum gewirkt und sich besonders dem Religionsunterricht und der Standesseelsorge gewidmet. Als Bischof fand Kirstein als erfahrener Seelsorger und begeisterungsfähiger Prediger einen unkomplizierten Zugang zum Kirchenvolk, zudem waren ihm die diözesane Organisation der Jugendvereine und die Jugendseelsorge wichtige Anliegen.
Der Episkopat von Ludwig Maria Hugo (1871–1935) war von vielfältigen pastoralen Initiativen geprägt, sein besonderes Augenmerk galt der theologischen Weiterbildung der Gläubigen durch Predigten und Hirtenbriefe. Zudem förderte er die Frühkommunion im Sinne Pius’ X., das Exerzitienwesen und die Volksmission. In organisatorischer Hinsicht waren Hugo der Ausbau der Caritas und der Katholischen Aktion besondere Anliegen, er errichtete zudem 27 neue Pfarreien und Kuratien, ließ 18 Kirchen erbauen und unterstützte die Neugründung zahlreicher Klöster. Früh betonte Hugo die Unvereinbarkeit der nationalsozialistischen Weltanschauung mit dem Christentum.
Die ersten zehn Jahre des Episkopats Albert Stohrs (1890–1961) standen im Zeichen der Auseinandersetzung mit dem Nationalsozialismus und des Zweiten Weltkrieges. In der Fuldaer Bischofskonferenz war Stohr seit 1937 für die Jugendarbeit zuständig, als Liturgiereferent förderte er seit 1941 die Erneuerung der Liturgie. An den liturgischen Entwicklungen in den fünfziger Jahren wirkte er maßgeblich mit. Nach 1945 wandte er sein Augenmerk vor allem dem materiellen und geistigen Wiederaufbau, dem Ausbau der Seelsorge, darunter der Errichtung von insgesamt 92 neuen Pfarrstellen, sowie dem Aufbau der bistumsweiten Bildungsarbeit zu.
Kurz vor Beginn des Zweiten Vatikanischen Konzils übernahm Hermann Volk (1903–1988) die Mainzer Bistumsleitung. Ein besonderes Anliegen auf dem Konzil war ihm die Ökumene, für die er sich auch als Mitglied des römischen Sekretariates zur Förderung der Einheit der Christen engagierte. In der Nachkonzilszeit förderte Volk konsequent die Umsetzung der Konzilsbeschlüsse in der Diözese, vor allem durch die Rezeption der Liturgiereform, den Aufbau synodaler Räte sowie die Etablierung neuer pastoraler Berufe für Laien. 1973 erhob ihn Paul VI. zum Kardinal, mit Johannes Paul II. war Volk seit dem Konzil freundschaftlich verbunden.
Karl Lehmann (1936–2018) lehrte als Professor für Dogmatik in Mainz und Freiburg, als Theologe gestaltete er auf der Würzburger Synode die Rezeption des Konzils in Deutschland mit. Seit 1983 leitete er für 33 Jahre das Bistum Mainz und prägte als Vorsitzender der Deutschen Bischofskonferenz (1987–2008) die deutsche Kirche maßgeblich. Dabei waren ihm die Ökumene und das Gespräch mit der Gesellschaft besondere Anliegen. Auf diesen Feldern engagierte er sich auch in der Weltkirche, 2001 erfolgte die Erhebung zum Kardinal. Lehmann galt weit über die Kirche hinaus als anerkannter Theologe und als Brückenbauer zwischen den Konfessionen, ausgeprägte Lebensfreude und Menschlichkeit zeichneten ihn aus.
Seit 2017 leitet Peter Kohlgraf (*1967) als 108. Bischof die Mainzer Diözese. Zuvor war der gebürtige Kölner mehrere Jahre als Schulseelsorger und Religionslehrer sowie als Professor für Pastoraltheologie tätig. Als Bischof initiierte er den "Pastoralen Weg" im Bistum Mainz, der zu zeitgemäßen Wegen der Evangelisierung und zukunftsfähigen Strukturen führen soll. In der Bischofskonferenz sind ihm die Themen "Bildung und Schule" sowie "Ehe und Familie" besondere Anliegen, ebenso wie die Friedensbewegung, für die er als Präsident der deutschen Sektion von Pax Christi aktiv ist.