La diócesis de Thunder Bay (en latín: Dioecesis Sinus Tonitralis y en inglés: Roman Catholic Diocese of Thunder Bay) es una circunscripción eclesiástica latina de la Iglesia católica en Canadá, sufragánea de la arquidiócesis de Toronto.
La diócesis tiene al obispo Frederick Joseph Colli como su ordinario desde el 2 de febrero de 1999.
La diócesis tiene 220 000 km² y extiende su jurisdicción sobre los fieles católicos de rito latino residentes en la provincia de Ontario en el distrito de Rainy River y porciones más pequeñas de los distritos de Kenora y Thunder Bay.
La sede de la diócesis se encuentra en la ciudad de Thunder Bay, en donde se halla la Catedral de San Patricio.
[1] El 9 de agosto de 1957, con la carta apostólica Novissimae dioeceses, el papa Pío XII proclamó a la Santísima Virgen María, venerada con el título de Nuestra Señora de la Caridad, como patrona principal de la diócesis, y a san Patricio como patrono secundario.