В 1829 г. в состав Российской империи вошло княжество Самцхе-Саатабаго в Южной Грузии, в 1830 г. – грузинская историческая провинция Саингило; таким образом, в Карталино-Кахетинскую епархию были включены Ахалкалакский и Ахалцихский уезды Тифлисской губернии и Джаро-Белоканская область. До 1837 г. в Восточной Грузии оставалась действующей Бодбийско-Сигнахская епархия, которая после кончины правящего митрополита Иоанна (Макашвили) также вошла в Карталино-Кахетинскую епархию. Среди епархий Экзархата по величине территории и по количеству прихожан Карталино-Кахетинская епархия была самой крупной. Первоначально викариатства Карталино-Кахетинской епархии были образованы на территории Грузии; в обязанности викариев входила помощь экзарху – правящему архиерею Карталино-Кахетинской епархии. 30 января 1812 г. на территории Мцхетско-Карталинской епархии было основано Горийское викариатство. Викарием (хорепископом) Горийским был назначен епископ Горийский Досифей (Пицхелаури). 28 декабря 1818 г. в Карталино-Кахетинской епархии было основано второе, Кизикское викариатство, которое после кончины (1837 г.) правящего митрополита Иоанна (Макашвили) было упразднено. В 1886–1912 гг. в Карталино-Кахетинской епархии существовало Алавердское викариатство, которое включало территории Кахети (Телавский и Сигнахский уезды Тифлисской губернии), Саингило (Закатальский округ Тифлисской губернии) и частично Шида-Картли (Тионетский уезд Тифлисской губернии). В 1801 г. в состав России вошла историческая провинция Лоре-Ташири, православное население которой (сначала российские войска и члены семей военных, русские поселенцы и крестьяне) 21 июня 1811 г. было включено в юрисдикцию Мцхетско-Карталинской епархии. В 1878 г., согласно Сан-Стефанскому мирному договору, Россия получила Карс, и прилегающий к крепости регион был включён в Карталино-Кахетинскую епархию. 13 декабря 1912 г. на этой территории было образовано Ереванское (Эриванское) викариатство Карталино-Кахетинской епархии, которое окормляло православное население Эриванской губернии, Карсской области и, как полагают исследователи, Лорийской волости Борчалинского уезда Тифлисской губернии. 3 апреля 1875 г. в результате деятельности Осетинской духовной комиссии и Общества восстановления православного христианства на Кавказе в состав Карталино-Кахетинской епархии были включены православные приходы Владикавказа, Северной Осетии и Алагирского завода, оформленные как Владикавказское викариатство. Оно просуществовало до 1885 г. и было преобразовано во Владикавказскую и Моздокскую епархию РПЦ. С продвижением Российской империи на восток Закавказья в состав Карталино-Кахетинской епархии вошли территории современного Азербайджана. 19 мая 1905 г. было образовано Бакинское викариатство Карталино-Кахетинской епархии, охватывавшее православные приходы Бакинской и Елизаветпольской губерний Российской империи. 12 марта 1917 г. по решению Собора духовенства всей Грузии, на котором была провозглашена автокефалия ГПЦ, Карталино-Кахетинская епархия, как и другие епархии Грузии, вышла из состава Грузинского экзархата и вошла в подчинение Временному управлению ГПЦ.