La diocesi è attestata a partire dal IV secolo, suffraganea dell'arcidiocesi di Bordeaux, sede metropolitana della provincia romana dell'Aquitania seconda. La tradizione considera san Frontone il primo vescovo di Périgueux, sebbene alcune biografie del X e XIII secolo abbiano individuato un'identità con un omonimo santo egiziano della Nitria. Il primo vescovo di cui esistano riscontri storici è Paterno, che reggeva la diocesi dopo la metà del IV secolo e che venne deposto attorno al 360 in quanto partigiano dell'arianesimo.
Nel IX secolo la città viene colpita dai Normanni e in questo periodo il catalogo dei vescovi si interrompe, benché vengano tradizionalmente menzionati dei vescovi di dubbia esistenza. Di certo, la diocesi si riprese sul finire del X secolo con il vescovo Frotario, che fondò un monastero in onore di san Frontone in località Puy-Saint-Front. Il 13 agosto 1317 cedette una porzione del suo territorio a vantaggio dell'erezione della diocesi di Sarlat.[1]
Nel corso delle guerre di religione del XVI secolo, Périgueux venne conquistata dai Calvinisti nel 1575 e rimase in loro mano fino al 1581. In questo contesto molti monumenti cattolici furono distrutti, venne danneggiata la cattedrale di Saint-Étienne-de-la-Cité (1577), e le stesse reliquie di san Frontone furono gettate nella Dordogna. Nel 1624 il vescovo François de La Béraudière istituì il seminario diocesano. Nel 1669 la cattedrale fu traslata dall'antica chiesa di Santo Stefano alla chiesa di San Frontone.
In seguito al concordato il 29 novembre 1801 con la bollaQui Christi Domini di papa Pio VII la diocesi fu soppressa e il suo territorio incorporato nella diocesi di Angoulême. Nel giugno 1817 fra Santa Sede e governo francese fu stipulato un nuovo concordato, cui fece seguito il 27 luglio la bolla Commissa divinitus, con la quale il papa restaurava la sede di Périgueux. Fu nominato anche un nuovo vescovo, Alexandre de Lostanges-Saint-Alvère. Tuttavia, poiché il concordato non entrò in vigore in quanto non ratificato dal Parlamento di Parigi, l'erezione della diocesi e la nomina del vescovo non ebbero effetto.
La diocesi fu ristabilita definitivamente il 6 ottobre 1822 con la bolla Paternae charitatis di papa Pio VII, ricavandone il territorio dalla diocesi di Angoulême. Il 17 giugno 1854 i vescovi di Périgueux ottennero il diritto di aggiungere al proprio titolo quello della diocesi soppressa di Sarlat, la cui sede è compresa nei confini diocesani.
Si omettono i periodi di sede vacante non superiori ai 2 anni o non storicamente accertati.
Aniano, come i successivi Cronopio e Sabaudo, è menzionato in una delle diverse biografie di san Frontone. Poiché Cronopio e Sabaudo sono storicamente documentati, Duchesne ritiene che anche Aniano possa essere esistito, anche se non documentato.
Dopo Paterno, vescovo ariano, Gallia christiana inserisce un vescovo di nome Gavidio, su cui ci sono molti dubbi; Duchesne lo esclude decisamente dalla sua cronotassi; Gams aggiunge l'annotazione quem Paterni successorem fuisse putant.
I vescovi Bertrando, Raimondo I, Ainardo e Sebaldo sono menzionati con il beneficio del dubbio da Gallia christiana. Le effigi di Bertrando e di Raimondo I, assieme a quelle di altri due vescovi ignoti, erano dipinte nella cattedrale di Périgueux, secondo un documento del 1570. Un vescovo Ainardo è menzionato in due documenti sospetti, che lo danno come contemporaneo di papa Sergio II (844-847) o di Carlo il Calvo (840-877). Anche Sebaldo è menzionato nel 900 in un documento dubbio.
Incerta è la cronologia e la cronotassi dei vescovi delle diverse obbedienze; Gams menziona due vescovi, Gabriel (1405) e Jean II (eletto nel 1408), di cui non è chiara l'appartenenza; sono ignoti a Eubel.
Contravvenendo alle disposizioni date da papa Pio VII nella Qui Christi Domini, il vescovo Grossoles de Flamarens non diede le dimissioni e morì in esilio a Londra nel 1815.