ประชากรท้องถิ่นดั้งเดิมของจังหวัด นับถือผีที่เป็นความเชื่อแบบโบราณเป็นหลัก สังเกตได้จากร่องรอยการใส่ภาชนะและข้าวของเครื่องใช้ลงในหลุมฝังศพตามความเชื่อในเรื่องโลกหน้าของคนโบราณในหลุมขุดค้นทางโบราณคดีบ้านบุ่งวังงิ้วอย่างไรก็ตามศาสนาแรกที่ชาวอุตรดิตถ์รับมานับถือสันนิษฐานว่าเป็นพระพุทธศาสนา เพราะปรากฏหลักฐานโบราณสถานทางพระพุทธศาสนาที่เก่าแก่ที่สุดในจังหวัดที่ พระมหาสถูปแห่งเมืองฝาง จากตำนานที่กล่าวว่าเป็นพระสถูปเจดีย์ที่บรรจุพระทันตธาตุของพระสัมมาสัมพุทธเจ้าที่ได้รับมาตั้งแต่สมัยพระเจ้าอโศกมหาราชส่งพระสมณทูตคือพระโสณะและพระอุตตระมาประกาศพระศาสนาที่สุวรรณภูมิ และแม้ว่าตำนานนี้อาจจะเป็นเรื่องที่แต่งเสริมความศรัทธาในภายหลัง แต่พระมหาสถูปแห่งเมืองฝางก็คงสร้างมาตั้งแต่สมัยสุโขทัย พร้อม ๆ กับการสถาปนาเมืองฝางสวางคบุรีให้เป็นเมืองหน้าด่านทิศตะวันออกสุดแห่งอาณาจักรสุโขทัย (สวางคบุรี-เมืองที่รับแสงอรุณแห่งแรกของอาณาจักรสุโขทัย)
ปัจจุบัน ประชากรของจังหวัดอุตรดิตถ์ ส่วนใหญ่นับถือศาสนาพุทธนิกายเถรวาทลังกาวงศ์ประมาณร้อยละ 99.66 มีจำนวนวัดในพระพุทธศาสนาถึง 312 วัด พระสงฆ์สามเณรกว่าพันรูป นอกจากนั้นยังมีศาสนาอิสลามและศาสนาคริสต์ซึ่งเข้ามาเผยแพร่ในภายหลัง ส่วนใหญ่จะเป็นคนนอกพื้นที่ ที่อพยพย้ายเข้ามาตั้งถิ่นฐานในจังหวัดอุตรดิตถ์ในช่วงไม่ถึงร้อยปีที่ผ่านมา
จังหวัดอุตรดิตถ์ 