En 1565, le premier Concile provincial promulgua et appliqua les décisions du Concile de Trente, en présence notamment des évêques d'Arras, Namur, St Omer, et de l'archevêque de Cambrai. Après les dramatiques événements religieux de 1566, en particulier ceux de Valenciennes, Cambrai et Le Cateau, Maximilien de Berghes convoqua un synode diocésain en 1567.
Sous l'épiscopat de Louis de Berlaymont, successeur de Maximilien de Berghes, un nouvel épisode douloureux allait surgir à Cambrai en octobre 1579. Un seigneur, apparenté d'ailleurs à l'archevêque, Bauduin de Gavre, s'empara par ruse du gouverneur espagnol de la citadelle, édifiée depuis 1543 par Charles Quint, et s'installa dans la place. Après sa mort accidentelle, le duc d'Anjou, à la protection duquel il avait été fait appel en raison du siège entrepris par les Espagnols, y installa Jean de Montluc, Sieur de Balagny en 1581, qui se signala par sa cruauté et ses exactions. Il gouverna la ville jusqu'en 1595, année au cours de laquelle les troupes espagnoles l'en chassèrent. Pendant toute cette période, Mgr de Berlaymont dut abandonner le palais épiscopal et se réfugier en son château du Cateau. A son retour, il se trouva confronté à de nouvelles difficultés, le prévôt, le bailly et les échevins ayant prêté serment au Comte de Fuentés, gouverneur espagnol. L'archevêque protesta comme Prince du Saint Empire, et Seigneur légitime, et considéra que tous ceux qui étaient concernés par ce serment avaient commis un crime de lèse majesté impériale.
Fénelon rédigera d'ailleurs un mémoire sur cette affaire, dans laquelle il considèrera la position de Mgr de Berlaymont comme absolument fondée, dans la mesure où les évêques avaient toujours joui d'une souveraineté qui leur avait été accordée par les empereurs, dont Charles Quint, qui leur avait confirmé le maintien du pouvoir.
Sous le régime des archiducs, les archevêques de Cambrai retrouvèrent leurs prérogatives, et purent contribuer à la reprise en mains de l'église catholique romaine dans leur diocèse. Cela est surtout vrai avec, à partir de 1616, Mgr van der Burch, qui établit un impressionnant quadrillage du territoire diocésain par le clergé, les religieux, les religieuses, les Jésuites, lui permettant de veiller notamment aux pratiques religieuses. C'est lui encore qui consacra de nombreuses églises dans la région, dans la mesure où il considérait qu'elles avaient été victimes de profanations par les troupes protestantes du Prince d'Orange.