Der Übergang Ulms an Bayern im November 1802 brachte auch das Ende für die seit Jahrhunderten gewachsene Selbständigkeit der evangelischen Kirche Ulms. Während seit der Reformation 1530 der reichsstädtische Magistrat die Kirchenregierung ausübte, wurde die Ulmische Kirche nun Teil einer staatlich verwalteten Landeskirche. Schon in der bayerischen Zeit fanden Umorganisationen statt. 1809 wurde die Stadt entlang der Linie Frauenstraße - Neue Straße - Marktplatz in zwei Pfarrsprengel, das Münster und die Dreifaltigkeitskirche, aufgeteilt. Um Geld einzusparen, wurden Zahl und Länge der Predigten ebenso wie die Zahl der Geistlichen reduziert. 1806 wurde die Barfüßerkirche, wo seit 1616 evangelische Gottesdienste besonders durch Predigtamtskandidaten gehalten wurden, geschlossen und in eine Lagerhalle umgewandelt.
Das Religionsedikt von 1803 gewährte Religions- und Gewissenfreiheit und stellte die drei christlichen Konfessionen (katholisch, evangelisch-lutherisch und evangelisch-reformiert) gleich. Die aufgeklärte Politik Bayerns, die sich auch gegen katholische Orden richtete, führte 1803 zur Aufhebung des Augustinerchorherrenstifts St. Michael zu den Wengen, in dem zuletzt nur noch zehn Chorherren lebten. Die Gebäude des Wengenklosters wurden fortan als Kaserne genutzt. Säkularisiert wurde außerdem 1806 die Niederlassung des Deutschen Ordens in Ulm, das Deutschhaus, dessen Gebäude zur Unterbringung staatlicher Behörden und später auch als Kaserne genutzt wurden. Auch außerhalb Ulms wurden Klöster aufgehoben: Ende 1802 wurde das reichsunmittelbare Klarissenkloster Söflingen samt seinem Gebiet mit rund 4000 Untertanen von Bayern in Besitz genommen. Die Söflinger Schwestern durften jedoch vorläufig noch ihr Gemeinschaftsleben fortsetzen, bis der Konvent 1814 endgültig aufgelöst wurde. Die Benediktinerabtei Wiblingen wurde 1806 säkularisiert.
1805 wurden die Wengenkirche in Ulm zur Pfarrei erhoben und in Söflingen ebenfalls eine katholische Pfarrei eingerichtet. Der Zuzug katholischer Beamter ließ die Anzahl der Katholiken in Ulm auf 612 im Jahr 1808 anwachsen. Im Vergleich dazu gab es während des 18. Jahrhunderts nur ca. 200 Katholiken in Ulm.

Nach dem Übergang Ulms an Württemberg 1810 wurde das Innenministerium (seit 1848: Ministerium für das Kirchen- und Schulwesen), in dessen Zuständigkeitsbereich das evangelische Konsistorium und der katholische Kirchenrat standen, zur obersten kirchlichen Aufsichtsbehörde. Die Evangelische Kirche in Ulm wurde in die Evangelische Landeskirche Württembergs eingegliedert und verlor ihre Eigenständigkeit. Der Staat bestimmte das kirchliche Leben bis in die Einzelheiten. Dazu gehörte z.B. die Einstellung, Besoldung und Beförderung von Geistlichen, die Festlegung ihrer Amtskleidung oder die Vorgabe von Gebetstexten für Königsgeburtstage. Eine Neuerung in Ulm war z.B. die 1811 erstmals vorgenommene Konfirmation. Im Bereich der kirchlichen Organisation wurde Ulm 1810 zum Sitz eines Generalats der evangelischen Landeskirche in Württemberg mit einem Prälaten an der Spitze, dem acht Dekanate von Crailsheim bis Biberach unterstanden. Die Prälaten gehörten nach der Verfassung des Königreichs Württemberg von 1819 kraft Amtes der zweiten Kammer des Landtages an. In der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts entstanden Gremien, die die rechtliche Stellung der Kirche gegenüber dem Staat verbesserten. 1851 wurden auf städtischer Ebene Pfarrgemeinderäte eingerichtet, 1869 trat erstmals die aus indirekten Wahlen hervorgegangene Landessynode zusammen, ohne die kein kirchliches Gesetz mehr erlassen oder geändert werden konnte. Die Landessynode erhielt jedoch erst 1888 das Recht, eigene Gesetze einzubringen.

Die katholische Gemeinde wurde nach dem Übergang an Württemberg durch den Wegzug bayerischer Beamter zunächst geschwächt. Die Anzahl der Katholiken ging 1811 auf 168 bei ca. 11.000 Einwohnern zurück, wuchs aber in den folgenden Jahrzehnten stark an. Auffallend ist der sprunghafte Anstieg in den 1840er und 1850er Jahren, für den v.a. der Festungs- und der Eisenbahnbau verantwortlich war, der viele katholische Arbeiter aus Oberschwaben und Tirol in die Stadt zog. Die fortschreitende Industrialisierung um 1900 brachte eine weitere Zuwanderung katholischer Arbeiter. 1895 betrug der Anteil der Katholiken schon 29 % der Ulmer Bevölkerung.
1828 wurde mit der Einsetzung des ersten Bischofs Johann Baptist Keller die Bildung der in ihrer räumlichen Ausdehnung mit dem Königreich Württemberg identischen Diözese Rottenburg abgeschlossen. Ähnlich wie die evangelische Kirche hatte auch die katholische Kirche in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts unter einem Staatskirchentum zu leiden. So reklamierte z.B. der Staat die Finanzaufsicht über das kirchliche Vermögen für sich, das kirchliche Bauwesen wurde vom Staat wahrgenommen und jede Verlautbarung des Bischofs war einer staatlichen Genehmigung unterworfen. Außerdem oblag die Besetzung der Pfarreien dem Staat. 1862 wurde der katholischen Kirche in Württemberg durch gesetzliche Regelungen mehr Eigenständigkeit von staatlichen Behörden zugestanden. Dies ersparte Württemberg in den Folgejahren die in Baden und Preußen heftig geführten Auseinandersetzungen zwischen Kirche und Staat im sogenannten Kulturkampf.

Als eine Art Mischverwaltung zwischen Stadt und Kirche wurde auf kommunaler Ebene 1819 der sogenannte Stiftungsrat errichtet, der in Teilen als Nachfolgeinstitution des reichsstädtischen Pfarrkirchenbaupflegamts angesehen werden kann. Seine Aufgabe war die Verwaltung der Schul-, Kirchen- und Armenstiftungen, aus denen u.a. die Armenfürsorge und das Schulwesen finanziert wurden. Dem Stiftungsrat gehörten unter dem gemeinsamen Vorsitz von Oberbürgermeister und evangelischem Dekan die Mitglieder des Stadtrats und die evangelischen und katholischen Pfarrer an. Der katholische Stadtpfarrer bzw. Dekan konnte jedoch erst 1840 seine Teilnahme an den Sitzungen des Stiftungsrats kraft höchster Entscheidung des Innenministeriums durchsetzen. Er blieb lediglich bei den Beratungen über evangelische Kirchen- und Schulsachen ausgeschlossen. Als Ausschuss des Stiftungsrats für die laufenden Geschäfte fungierte der allgemeine Kirchenkonvent. Daneben gab es einen evangelischen und katholischen Kirchenkonvent, die jeweils für die konfessionsspezifischen Angelegenheiten sowie die „Kirchen-, Sitten- und Schulpolizei" zuständig waren. Der evangelische Kirchenkonvent setzte sich aus dem Oberbürgermeister, den evangelischen Geistlichen, dem Hospital- und Kirchenstiftungsverwalter und vier Stadträten zusammen. Der katholische Kirchenkonvent, der außerdem für die katholischen Kirchen- und Schulstiftungen zuständig war, bestand aus dem Oberbürgermeister, dem katholischen Dekan und drei Bürgern, die aus der katholischen Bevölkerung von den stimmberechtigten Katholiken gewählt wurden.
Diese Mischverwaltung von Stadt und Kirche endete erst 1894 mit der Ausscheidung des Kirchengutes aus der Verwaltung des Stiftungsrats. Zum 1. April 1894 wurden das Münster, die Dreifaltigkeitskirche, die Pfarrhäuser, das Mesnerhaus, der Münsterbaufonds und insgesamt 42 Stiftungen in die Verwaltung des neuen Kirchengemeinderats übergeben. Bereits 1875 war die Vermögensverwaltung für das Armen- und Krankenwesen vom Stiftungsrat auf die neu geschaffene Ortsarmenbehörde und einer die laufenden Geschäfte führenden Armendeputation übertragen worden. Die Ausscheidung des Vermögens der katholischen Kirchengemeinde fand Anfang 1893 statt.