Totalt 58% (1,8m) ger kristendomen som sin tro, en 14% nedgång sedan 2001, en större nedgång än någon engelsk region.
Men totalt 32% i Wales sade att de inte hade någon religion, den högsta totalen var i Blaenau Gwent med 41,1%; den lägsta i Flintshire med 25,4%.
Kyrkan i Wales sa att kristendomen är "inte längre standardinställningen" för många människor, men bilden är komplex.
En fjärdedel av befolkningen i Wales och England som helhet sade att de inte hade någon religion.
Detta var en ökning med 10 % från 15 % (7,7 miljoner) 2001 till 14,1 miljoner 2011.
Folkräkning: Viktiga walesiska uppgifter om religion
Men andelen i Wales utan religion var högre än i hela Wales och England.
De som uppger att de var muslimer i Wales är 1,5 % - en ökning från 0,7 % - med den högsta andelen i Cardiff (6,8 %) och Newport (4,7 %).
Det fanns också små ökningar i andelen människor som sade att de var hinduer eller buddhister - båda steg från 0,2% till 0,3%.
Det var också en ökning av människor som sade att de hade andra trosuppfattningar - från 0,2% till 0,4%
Andelen som sade att de var sikh eller jude förblev oförändrad mellan 2001 och 2011 på 0,1 %.
Kyrkan i Wales sade att siffrorna visar att kristendomen "inte längre är den standardinställning den en gång var för många människor i Wales".
Men en taleskvinna tillade att orsakerna var komplicerade.
"Idag finner vi människor gå i kyrkan för att de vill, inte för att de känner att de måste eller för att det är platsen att se och bli sedd", sade hon.
– Man bör också komma ihåg att statistiken inte kan visa hela bilden i fråga om tro.
"De senaste månaderna har till exempel människor i olika delar av Wales vänt sig till kyrkor i tusental efter olika tragiska händelser: i Machynlleth, i Ely, i St Asaf.
"Människor finner Gud när livet blir tufft och det är kyrkans privilegium att vara där för dem när och varhelst vi kan behövas."
Canon Bob Reardon, kommunikationsofficer för det katolska stiftet i Cardiff, sade att trossamfunden redan var medvetna om de utmaningar som visas upp av siffrorna.
"Det är uppenbart i organiserad religion det har skett en nedgång men det är inte att säga att det inte finns en andlig sida av människor", sade han.
"Det finns fortfarande en andlig dimension av hur människor lever sina liv, det är något som vi alla delar."
Meirion Morris, generalsekreterare i den presbyterianska kyrkan i Wales, sade att trots "trummor till motsatsen", visade folkräkningen att nästan 60 procent av befolkningen i Wales fortfarande ansåg sig vara kristna.
"Som en tvåspråkig samfund som tjänar samhällen över hela Wales vi är medvetna om denna underliggande känsla av att tillhöra den kristna traditionen", sade han.
"Men vi är också realistiska och vet att nivån på detta engagemang varierar enormt, och att under det senaste århundradet har kyrkans liv blivit alltmer marginaliserat."
Han sade att kyrkorna försökte hitta "relevanta sätt att nå våra samhällen".
Doktor Geraint Tudur, generalsekreterare i Welsh Independent Churches Union, som representerar nästan 450 kapell i Wales, sade: " I det som ofta kallas ett sekulariserat samhälle är det häpnadsväckande och upplyftande att 58 procent av walesarna fortfarande betraktar sig som kristna.
"Även om bara en minoritet deltar i gudstjänster och andra religiösa evenemang, är det uppenbart att det fortfarande finns en stark känsla av lojalitet och tillgivenhet för kristendomen i Wales."
Lorraine Barrett, en före detta walesiska församlingsmedlem som nu arbetar som humanistfirande, sade att det var intressant att människor hade förtroende för att förklara sig fria från religion eller icke-kristna.
Och hon sade att det innebar en utmaning för beslutsfattarna att se till att de icke-religiösa fick samma plats som trosgrupperna.
Hon sade: " Människor har nästan känt sig tvungna att säga att de har något slags religion.
"Offentlig politik är inriktad på dem med någon form av religiös tro, de ges någon form av privilegium eller automatisk rätt att beaktas.
"För etableringen, vare sig den walesiska regeringen eller den brittiska regeringen, kommer det att ge en paus för eftertanke när de överväger frågor och hur de interagerar med grupper och samhällen."
Religionsfrågan var den enda frivilliga frågan om 2011 års folkräkning.
Stephen Hicks från Byrån för nationell statistik (ONS) sade: " Äldre människor är mer benägna att ansluta sig till den kristna religionen.
"Våra ögonblicksbilder har visat (minskningen) ett tag och detta var inte en överraskning för oss, denna stora förändring."
Hicks betonade att det kunde vara en kulturell sak att identifiera sig med kristendomen i stället för att visa att man faktiskt var närvarande i kyrkan eller till och med trodde på Gud, och tillade att folkräkningen inte frågade om kyrklig verksamhet.
Nästan en tredjedel av invånarna i Wales har ingen religion, enligt folkräkningsuppgifter.