Le vicende dell'archivio sono connesse con quelle del palazzo episcopale che, fino alla seconda metà del Cinquecento, aveva sede nel complesso dell'attuale Palazzo Reale. Dalla metà del XVI secolo, con il trasferimento da Chambery a Torino, Emanuele Filibero I di Savoia elesse il palazzo vescovile a sua dimora. I vescovi ebbero quindi altri alloggiamenti, e con essi i documenti dell'archivio, fino al 1777 quando, l'attuale palazzo Arcivescovile, precedentemente occupato dai Padri della Missione, ne divenne la sede definitiva.

I documenti furono dapprima divisi in vari locali. Nel 1934 il cardinale Maurilio Fossati fece allestire le strutture che ne permisero il riordino e l'organizzazione. Dal 1988 agli anni 2000, si sono poi susseguiti vari interventi di ristrutturazione e ampliamento.