Luleå stadsförsamling bildades 1667 genom utbrytning ur Luleå församling, som då ändrade namn till Luleå landsförsamling (landsförsamlingen bytte namn 1831 till Nederluleå församling).

Benämningen Luleå församling förekommer parallellt med Luleå stadsförsamling. Luleå stift tillkom 1904 och församlingen kallades därefter Luleå domkyrkoförsamling. Enligt uppgift ändrades dock namnet officiellt först  1962.

Luleå stad grundlades 1621. Staden anlades 1621 vid Luleå sockens kyrka, nuvarande Gammelstad i Nederluleå församling. Staden flyttade dock närmare kusten 1649 eftersom uppgrundning av farleden försvårade för sjöfartens tillgång till staden på dess ursprungliga plats. På grund av en stor brand 1657 flyttade dock staden tillbaka till den urspungliga platsen för att sedan efter återuppbyggnaden åter flytta närmare kusten. 1887 skedde en stor brand i Luleå stad.

Luleå stadsförsamling ingick i gemensamt pastorat med Luleå landsförsamling / Nederluleå församling (moderförsamling) t.o.m. 1888. Staden blev därefter ett eget pastorat.

Ur församlingen bröts Örnäsets församling ut 1962 som omfattade stadsdelarna Lulsundet, Malmudden, Skurholmen, Bredviken, Örnäset och Svartöstaden. De två församlingarna bildade egna pastorat men utgjorde en kyrklig samfällighet (gemensam ekonomi, fastighetsförvaltning och begravningsverksamhet). Luleå kyrkliga samfällighet bildar två arkiv; Luleå kyrkliga samfällighets arkiv respektive Luleå kyrkliga samfällighet, kyrkogårdsnämndens arkiv. I Luleå kyrkliga samfällighets arkiv ingår fastighetshandlingar för tiden före samfällighetens bildande 1962.

Redovisningar av större ändringar av Luleå domkyrkoförsamlings gränser följer nedan. Ytterligare ändringar kan ha förekommit utan att de omnämns i här använda källor.

Av lägenheterna Ön eller Stadsön och Hermansängen,  tillhörande Luleå stads donationsjord men belägna inom Nederluleå socken, räknas Hermansängen till staden. Stadsöns invånare kyrkoskrevs i Nederluleå församling och betalade tidigare de kyrkliga och kommunala avgälderna dels till landet, dels till staden. Genom kungligt brev den 10 juni 1892 bestämdes dels att Ön eller Stadsön skulle från 1893 års början både i kyrkligt och kommunalt avseende tillhöra Nederluleå socken, dels att det s.k. Svartöhemmanet eller 3/64 mantal Björsby nr 6 samt inom området för Luleå stads hamn liggande nio angivna holmar skulle överflyttas från Nederluleå socken till Luleå stad.

Genom kungligt brev den 18 maj 1894 blev 3/16 mantal Notviken och det från Nederluleå pastorsboställe utbrutna 3/16 mantal, som anslagits till löningsjord för kyrkoherden i Luleå stad, från 1895 års början skilda från Nederluleå socken och överförda till staden.

Enligt kungligt brev den 31 mars 1932 överfördes från 1933 vissa områden av Nederluleå socken, däribland Svartöstadens municipalsamhälle och Skurholmsstaden, till Luleå stad. Samtidigt överflyttades en del av staden tillhörande skiften till Nederluleå socken.

Kallax och Notviken, som senare tillhör Luleå stad finns upptagna i Nederluleå församlings husförhörsböcker.