В 1871 г. был создан епархиальный комитет Православного миссионерского общества для привлечения в православие иноверцев, главным образом, калмыков. На средства комитета в 1877 г. в калмыцком стане построили первый православный храм. По распоряжению епископа Митрофана (Невского) в 1894 г. при архиерейском доме была открыта двухклассная миссионерская школа-приют для подготовки детей калмыков к миссионерскому служению. В конце XIX в. комитет начал миссионерскую деятельность среди татар, но она не имела успеха. Начало активной миссионерской деятельности среди сектантов и старообрядцев было положено епископом Феогностом (Лебедевым), в 1873 г. учредившим в Царёве церковно-просветительское братство Святой Троицы (в 1876 г. братство переехало в Астрахань). В 1877 г. в епархии была введена должность миссионера для увещания молокан. Епископ Евгений (Шерешилов) основал в 1885 г. в Астрахани Кирилло-Мефодиевское братство для распространения православного просвещения, миссионерства и борьбы с сектантством и старообрядчеством. В 1896 г. в Астрахани начало работу отделение императорского Палестинского православного общества. В 1823 г. при архиерейской кафедре было открыто попечительство о бедных духовного звания, в 1877 г. епископ Герасим (Добросердов) учредил епархиальный дом призрения бедных духовного звания, и при нём вскоре был создан детский приют. В 1896 г. открылся епархиальный свечной завод. В 1903 г. в епархии насчитывалось: 231 церковь, в том числе шесть соборных, девять монастырских, 173 приходские, три при казённых и богоугодных заведениях, две домовые, четыре кладбищенские, четыре миссионерские, одна походная, 29 приписных, а также 27 часовен и молитвенных домов; церковно- и священнослужителей (за исключением монашествующих) – 695 человек. В 1910 г. стараниями владыки Георгия (Орлова) в епархии появилась плавучая церковь во имя святителя Николая Мирликийского для окормления рыбаков в море (существовала до 1916 г.). В 1902 г. Иоанн Кронштадтский освятил в Астрахани храм во имя св. равноапостольного князя Владимира, построенный в память 900-летия Крещения Руси. В 1912 г. в епархии началась подготовка к прославлению митрополита Иосифа. Протоиерей Иван Осипович (Иоанн Иосифович) Саввинский выпустил брошюру «Святитель Иосиф, митрополит Астраханский», где собрал сведения о чудесных исцелениях по молитвам к священномученику, в том же году по инициативе епископа Феофана (Быстрова) синодальная комиссия вскрыла гробницу митрополита Иосифа для освидетельствования мощей. Решение о канонизации священномученика Иосифа принял поместный Собор РПЦ в 1918 г. Указ Патриарха Московского и всея России Тихона (Белавина) и Священного Синода об общерусском почитании священномученика Иосифа был получен в Астрахани в 1919 г. В конце 1917 г. была закрыта Астраханская духовная семинария, в декабре вышел последний номер «Астраханских епархиальных ведомостей». В 1918 г. прекратили существование Астраханская консистория и епархиальное женское училище, дом соборного духовенства в кремле был занят Реввоенсоветом, закрыли Успенский кафедральный собор. Архиерейский дом стал резиденцией коменданта кремля, помещения семинарии и Спасо-Преображенского монастыря были заняты курсами красных командиров. Храмы кремля стали использоваться как хозяйственные помещения для армейских нужд. В сентябре 1918 г. в Астрахани возник Епархиальный союз церквей во главе с Царёвским епископом Леонтием (фон Вимпфеном), который провозгласил своей задачей демократизацию церкви и ограничение власти архиереев. Астраханский архиепископ Митрофан (Краснопольский) прекратил общение со своим викарием.