Den hellige Dionysius var sannsynligvis av gresk opphav. Han hadde tidligere vært eneboer, men senest under pave Sixtus II var han en ansett og ledende presbyter i Roma.
På grunn av keiser Valerians (253-60) harde forfølgelse, som medførte summariske henrettelser av geistlige, valgte den romerske kirken først ikke noen etterfølger etter Sixtus IIs martyrium den 6. august 258. I nesten to (ett?) år ble Kirken styrt av presbyterne alene; alle sju diakonene ble henrettet sammen med Sixtus. I juli 259 var Valerian for bekymret for perserne til å bry seg om de kristne, så en tradisjon sier at menigheten da gikk til valg av ny pave. I 260 ble Valerian slått av perseren Sapor, tatt til fange og deretter flådd. Den vanligste versjonen er at romerne ventet med nytt pavevalg til nyheten om keiserens død i fangenskap nådde Roma. I tilfelle var det 22. juli 260 Dionysius ble valgt til ny pave.
Keiser Gallienus (260-68), var Valerians sønn og etterfølger. Selv om han ikke var noen dyktig hersker, var han velvillig overfor de kristne og utstedte et toleransedekret. Salonina, hans kone, kan godt ha vært kristen selv.
Under Sixtus II hadde Dionysius korrespondert med biskop Dionysios av Alexandria, som fortsatt forsøkte å megle i striden om gjendåp av kjettere. Opprinnelig hadde den nye paven delt Stefan Is rigide standpunkt; han hadde avbrutt kommunionen med kirker som insisterte på gjendåp av heretikere og skismatikere, men synes å ha hatt en mykere holdning i Sixtus IIs tid. Biskop Dionysios anså ham i alle fall som «lærd og betydningsfull».
Da han ble pave selv, fikk han enda et brev fra biskop Dionysios om det samme temaet, og innen kort tid ble de involvert i en annen brevveksling, denne gang om forholdet mellom Fader og Sønn i guddommen. Noen kristne i Alexandria hadde rapportert biskopen til paven med anklager om at han skilte Sønnen fra Faderen; til og med snakket om ham som en skapning, og nektet å beskrive ham som ett i sitt innerste vesen med Faderen.
Paven innkalte straks en synode som fordømte de utsagnene som var påklaget og sendte menigheten i Alexandria en imponerende redegjørelse for den romerske teologi om Treenigheten. Taktfullt skrev paven privat til sin biskopbror og ba om en forklaring av hans syn. Biskop Dionysios svarte med et forsvarsskrift hvor han, selv om han insisterte på forskjellen på de guddommelige personer, gjorde det klart at han ikke var noen triteist, og dette ser ut til å ha avsluttet saken. Den hellige gamle mannen døde i fred med Kirken, men striden mellom de to var en opptakt til Nikea og arianer-striden.
Dionysius engasjerte seg ikke mindre aktivt i praktiske saker. Da han besteg Peters stol, ble han først konfrontert med den uorden Valerians forfølgelse hadde forårsaket i den romerske kirken. Deretter fulgte de praktiske problemene da keiser Gallienus reverserte sin fars politikk og Kirkens konfiskerte eiendommer og kirkegårder skulle leveres tilbake. Mens det var fred i Roma, stormet fiender mot det romerske imperiums grenser, og resultatet var at forholdene var gunstige for de kristne i Roma. Dette benyttet Dionysius til å gjennomføre (eller i det minste påbegynne) en fullstendig reorganisering av Kirken. Et glimt av dette finnes i LPs opplysninger om at han tildelte menigheter og kirkegårder til de respektive prestene og trakk opp nye grenser for bispedømmene i sin metropolittprovins.
I tillegg fortsatte han energisk den romerske kirkens langvarige tradisjon for å hjelpe nødstedte kristne hvor de enn måtte være, og utvidet kontakten med menighetene i øst. Perserne hadde herjet og plyndret Kappadokia (sentral-Tyrkia), og de kristne der var hardt rammet. Dionysius sendte oppmuntringsbrev til den hjemsøkte kirken såvel som penger for å kjøpe fri kristne i fangenskap hos barbarene. Mer enn et århundre senere minnet Basilios den Store (død 379) hans generøsitet med beundring.
Dionysius ser ut til å ha gjort noe organisering av unge menigheter utenfor Roma.
Det siste vi hører om pave Dionysius, er brevet som en synode i Antiokia adresserte til ham og Maximus, den nye biskopen av Antiokia, i 268/69. Synoden avsatte Paulos av Samosata for hans adoptianske tilbøyeligheter, og brevet kunngjorde dens avgjørelse. Paulos var en ekte kjetter. Urimelig nok kombinerte han stillingene som biskop av Antiokia og skattmester for de sivile myndighetene, men han lærte at Jesus ikke var sann Gud. For å møte disse truslene holdt de asiatiske biskopene en synode i Antiokia i 264 og fordømte Paulos' lære
Om paven mottok brevet fra synoden er ikke klart, for han døde på slutten av 268. Dionysius var ikke martyr som LP hevder, for Den liberianske katalog av 354 plasserer ham i sin liste over gravlagte biskoper, ikke i martyrlisten. Han ble gravlagt i pavekrypten i Callistus-katakomben.
Dionysius, som har minnedag den 26. desember, var en av de mest betydelige romerske biskoper på 200-tallet.