På Østerbro er 57,9 % af beboerne medlem af folkekirken. I 2008 blev Rosenvænget, Davids og Frihavns Sogn lagt sammen. Davids Sogn blev i 2012 igen udskilt som selvstændigt sogn. Der er planer om at opføre en ny kirke i Nordhavn til bydelens nye indbyggere.
Visse kirker i bydelen har eller har haft et mere eller mindre tydeligt retningspræg; Kristeligt Forbund for Studerende har samlet sig i Nazaret Kirke og Fredens Kirke, mens en stiftspræst for nyreligiøsitet siden 1990 har virket ved Nazaret Kirke på Østerbro, og Hans Egede Kirke siden 2013 har været benyttet af den ældste færøske menighed i Danmark, Sankt Olavs Færøske Menighed (Sankta Ólavs føroyska kirkjulið), stiftet 1915. Menighedens præst er ansat som funktionspræst i Københavns Stift.
Jesuiterordenens kirke, Sankt Augustins Kirke, med tilhørende kloster er opført 1912‑14 og tegnet af Emil Jørgensen. I klosteret – og i en nybygning fra 1960 – er indrettet grundskolen og gymnasiet Niels Steensens Gymnasium fra 1950.
I bydelenligger danske hovedkvarterer for tre forskellige østlige religioner. Karma Kadjy Skolen i Danmark er en del af bevægelsen af samme navn inden for tibetansk buddhisme. Trossamfundet blev i 1972 oprettet af ægteparret Hannah og Ole Nydahl som det første i Danmark. Siden 1974 har centeret, der blev anerkendt som trossamfund i 1988, ligget i villaen på Svanemøllevej. Det buddhistiske center SGI-Danmark – Nordisk Kulturcenter (Kaikan) – er etableret i 1988 i en villa i A. F. Kriegers Vej. SGI står for Soka Gakkai International, som er en international buddhistisk bevægelse stiftet i 1975. Det danske hovedkvarter for Sathya Sai Baba-bevægelsen er indrettet i 2008 i Grenågade. Den indiske Sathya Sai Baba ses som en hellig mand med bl.a. særlige helbredende evner.
