Kuppen inträffade i onsdags. Skrinet, som var tillfälligt förvarades i katedralen, skulle flyttas till en annan kyrka nästa månad.
Ärkebiskopen Renato Boccardo uppmanar nu tjuven eller tjuvarna att göra det rätta.
– Lämna tillbaka relikskrinet till katedralen och de troende, säger han.
Renato Boccardo vet inte om det stals för att det ska krävas en lösesumma. Polisen går igenom filmer från övervakningskameror i och utanför katedralen för att hitta spår.
Johannes Paulus II avled 2005.