Den 18. september 1858 ble han ordinert til prest i domkirken i Castelfranco og utnevnt til kapellan i Tombolo, selv om han manglet et år på den vanlige minimumsalderen. I 1867 ble han sogneprest i Salzano. I 1875 ble han kannik ved domkirken i Treviso, åndelig rådgiver ved presteseminaret der og generalvikar. I 1884 utnevnte Leo XIII ham til biskop av Mantova, et forfallent bispedømme som han raskt revitaliserte. Her arbeidet han særlig med fornyelsen av presteskapet og den religiøse fornyelse av sitt bispedømme, og gjenoppbygde det forsømte seminaret. I 1888 holdt han en bispedømmesynode.
Som påskjønnelse for arbeidet i Mantova utnevnte pave Leo XIII ham den 12. juni 1893 til kardinalprest av S. Bernardo alle Termi di Diocleziano og den 15. juni til patriark av Venezia. Men han fikk ingen statlig godkjennelse, og da kong Umberto kom til Venezia i 1894, gjorde patriarken ham oppmerksom på de negative følgene av dette. Kongen sørget da for at han snart fikk sin statlige godkjennelse.
I Venezia gikk Sarto i gang med å reformere bispedømmet. I ti år viste han seg som en hardt arbeidende hyrde, oppslukt av omsorg for sitt presteskap og folk. Han samarbeidet diskret med den italienske regjeringen, og i lokalpolitikken forsvarte han en allianse av katolikker og moderate liberale mot sosialismen. Han var forbilledlig i sin personlige vandel, en utpreget sjelesørger, og han hadde suksess med den religiøse fornyelse i Venezia. I 1898 holdt han en bispedømmesynode.
Kort før sin død sa den gamle og kloke pave Leo til Sarto: «Du kommer til å bli den neste paven, og du kommer til å gjøre mye for Kirken». Han fikk rett i begge deler.
Etter at Leo XIII døde den 20. juli 1903, trådte konklavet sammen den 31. juli. Igjen var det to partier som sto mot hverandre i kardinalkollegiet. Kandidat for den sterkeste gruppen, som besto av de spanske, franske, portugisiske, belgiske og de fleste italienske kardinalene, var kardinal Mariano Rampolla, Leo XIIIs siste statssekretær og den egentlige makthaveren i Leos siste år. Han syntes mest egnet til å fortsette Leos fordomsfrie politikk, men ble regnet for å være svært franskvennlig. Til motpartiet hørte de tyske og østerrikske kardinalene, nederlenderne, amerikanerne og noen italienere, men de hadde ikke noen felles motkandidat mot Rampolla.
For å bli valgt til ny pave var det nødvendig med 42 av de 62 stemmene (2/3). I første avstemming om morgenen den 1. august fikk Rampolla 24 stemmer, i andre avstemming samme kveld 29 stemmer.
Men da kardinalene om morgenen den 2. august var i ferd med å fylle ut stemmesedlene til tredje avstemming, la fyrstebiskopen av Kraków, kardinal Kniaz de Kozielsko Puzyna, i keiser Frans Josef av Østerrikes navn ned veto mot valget av Rampolla. En slik protest fra en verdslig makt var sist blitt brukt i 1823 og 1830, og dette skulle også bli pavehistoriens siste veto.
Men vetoet skulle ikke bli avgjørende, for dekanus for kardinalkollegiet og de fleste kardinalene (inkludert Rampolla) protesterte bestemt mot denne innblanding fra keiseren, og fortsatte avstemmingen. En uforsonlig opposisjon på fem kardinaler var fast bestemt på å stoppe Rampolla. I første valgomgang stemte de på Sarto, og sammen med de som stemte på kardinal Gotti, utgjorde de den tredjedelen som var nødvendig for å blokkere valget av Rampolla. Dette avgjorde valget, for når det var umulig for Rampolla å få 2/3 flertall, måtte hans tilhengere gi etter.
Det ble snart åpenbart at den generelle oppfatningen var at man nå ville ha en pave forskjellig fra Leo. I den tredje avstemmingen fikk Rampolla fortsatt 29 stemmer, Sarto 21 og Gotti 9 stemmer, i fjerde avstemming samme kveld fikk Rampolla 30, Sarto 24 og Gotti 3 stemmer.
Men der stoppet Rampollas tilslutning. I femte avstemming om morgenen den 3. august fikk Sarto 27, Rampolla 24 og Gotti 6 stemmer, og i den sjette avstemmingen samme kveld fikk Sarto 35, Rampolla 16 og Gotti 7 stemmer. I den sjuende valgomgangen om morgenen den 4. august ble så patriark Sarto valgt med 50 av 62 stemmer. Rampolla fikk 10 og Gotti 2 stemmer.
Meget motvillig tok Sarto imot valget, for han hadde bedt kardinalene om å se bort fra hans kandidatur, da han ikke følte seg denne oppgaven voksen. Etter fjerde valgomgang hadde han erklært at han ville frasi seg kardinalhatten og bli kapusinermunk. Til konklavet hadde han reist uten tanke på at han kunne bli valgt til pave, han hadde til og med kjøpt returbillett! Men den 9. august ble han kronet. Han tok navnet Pius X i respekt for de siste pavene med dette navn, som modig hadde motstått forfølgelsene. Med dette signaliserte han også sine intensjoner om å vende tilbake til en mer konservativ politikk.
I Commissum nobis av 20. januar 1904 forbød Pius innblanding fra verdslige makter ved fremtidige pavevalg, med ekskommunikasjon som straff. Hendelsene fra konklavet i 1903 skulle ikke gjenta seg.
Først var sammenligningen med Leo til Pius' fordel, for han var enklere og mer folkelig. For Leo hadde alle katolikker, unntatt kardinaler, konger og prinser måttet knele når han mottok dem, mens Pius fikk dem til å sitte ned og konverserte dem vennlig. Han var forlegen ved Vatikanets seremoniell og visse pavelige konvensjoner, og han brøt med Vatikanets etikette og nektet å forlate det rom som konklavet hadde anvist ham før han ble valgt. Øverste etasje i Vatikanet ble da bygd om og har siden vært pavens residens.
Den nye paven var kritisk til Leo XIIIs politiske aktiviteter. Etter hans syn, som nok langt på vei var riktig, var forgjengerens politikk med forsoning overfor de sekulære myndigheter på store områder mislykket. Derfor vendte Pius X seg bort fra politikken, nok som nok også kom av hans manglende politiske erfaring, og konsentrerte seg om de kirkelige problemer.
Pius hadde vært prest i 45 år, og han skulle bli «det indre livs pave». Han var den elskelige og forstående sogneprest, og hver søndag mens han var pave, holdt han en enkel preken om dagens evangelium til alle som ville komme i en av Vatikanets gårder. Han ga inntrykk av å være en uverdslig, upolitisk, åndelig pave; hele verdens sogneprest. Men dette var i beste fall noe unyansert. Han var også en relativt enfoldig mann, besatt av ortodoksi, og han så farer overalt.
Han tok som motto «å fornye alle ting i Kristus» (Instaurare omnia in Christo) (Ef.1,10), som han uttrykte det i sin tiltredelsesencyklika E supremi apostolatus cathedra av 4. oktober 1903, og han ble den største reformpaven siden Pius V. Sammen med sin statssekretær, spanjolen Rafael Merry del Val (1865-1930), insisterte han urokkelig på Kirkens rettigheter.
Tross mange fiaskoer og vanskeligheter skulle Pius Xs pontifikat bli preget av hans imponerende personlighet. Han fant anerkjennelse for sine menneskelige dyder, sitt sjelesørgeriske arbeid, sin redelighet og godhet, men også sin besluttsomhet og sitt organisasjonstalent. Han var en typisk «religiøs pave», og politikk eller diplomati hørte ikke til hans sterke sider. Han la all vekt på pavedømmets åndelige oppgaver, og forsøkte å beskytte Kirken fra en «ukristelig tilpasning» til den moderne ånd.
Dette førte snart til spenninger i forholdet til Frankrike, hvor regjeringen undertrykte ordener og angrep religiøs utdanning. Pius fordømte den sivilrettslige toleranselovgivningen, og i juli 1904 kom det til brudd i de diplomatiske forbindelsene mellom Frankrike og Den hellige Stol.
Den 9. desember 1905 ble skillet mellom kirke og stat i Frankrike, som det allerede hadde avtegnet seg under Leo XIII, definitivt fullført. Regjeringen Emile Combes (1902-05) annullerte 1801-konkordatet og overførte Kirkens eiendommer til leginstitusjoner.
Den 2. februar 1906 forkastet Pius X i en skarp tone skillet mellom kirke og stat, og mot råd fra de fleste biskopene forbød han den 10. august 1906 enhver kompromissavtale. Han forbød de franske biskopene å akseptere de betingelsene som staten satte for at de skulle få beholde kirkebygningene, og han nektet katolikker å danne de foreningene som regjeringen krevde for å drive kirkene. Men kirkene ble fortsatt brukt under meget spente forhold. Men det kom likevel til et Modus vivendi. Den frie gudsdyrkelsen ble gjort mulig nesten overalt i Frankrike, og positive følger av skillet var frie valg av biskoper, og at de kunne utnevne prester uten å ta hensyn til staten. Pius X ofret kirkelig eiendom for å sikre Kirkens frihet overfor staten, men prisen var materiell ruin.
Pius protesterte like sterkt mot skillet mellom kirke og stat i Portugal i 1911, og både Portugal og midlertidig Spania (1910) brøt med pavestolen.
I Tyskland grep paven i 1912 inn i fagforeningsstriden. Her var det oppstått motsetninger mellom Köln- og Berlin-retningene innenfor den tyske katolisismen. Köln gikk inn for kristne, interkonfesjonelle (tverrkirkelige) fagforeninger, mens Berlin ville ha rent katolske arbeiderforeninger. Paven henviste i encyklikaen Singulari quadam av 24. september 1912 til at det ut fra et trosspørsmål var bedre om de katolske arbeiderne gikk sammen i yrkesorganisasjoner med et rent katolsk preg. Men overfor de spesielle forhold i Tyskland kunne det tolereres å slutte seg til de kristne fagforeningene. Pius X ytret ønske om at de katolikkene som tilhørte de kristne fagforeningene, samtidig var medlemmer av de katolske arbeiderforeningene, for der å kunne pleie sin katolske tro.
Det lyktes raskt å bilegge motsetningene mellom Preussen og kurien på grunn av enkelte formuleringer om reformasjonen i pavens Borromeus-encyklika av 26. mai 1610. Pius X fremstilte her den hellige Karl Borromeus som bildet på en sann reformator, i motsetning til de falske reformatorene på 1500-tallet, som han beskyldte for opprør mot de kirkelige autoriteter og servilitet overfor de daværende fyrstene.
Pavens støtte til katolske minoriteter i Polen og Irland irriterte de russiske og engelske regjeringene. Det oppsto også spenninger med USA etter at den «liberale» biskop J. Ireland falt i unåde og Pius X i 1910 nektet å motta ekspresident Theodore Roosevelt etter at han hadde preket i metodistkirken i Roma.
Pius forsøkte å myke opp forholdet til Østerrike og Italia, da han vurderte det romerske spørsmål, som konflikten mellom Kirken og staten i Italia siden 1870 hadde kommet til å bli kalt, på en mindre dramatisk måte enn sine forgjengere. Han sto riktignok fast også i dette spørsmålet, men innførte en gradvis avspenning mellom Vatikanet og regjeringen. Beveget delvis av frykt for sosialismen, tillot han den 11. juni 1905 biskoper etter eget skjønn å løsne på sin forgjengers bann (Non expedit) mot at de troende deltok i parlamentsvalg i Italia.
Pius X var ikke mindre kompromissløs på de teologiske og sosiale områdene. Mens han var i Venezia hadde han betraktet med uro den filosofiske og religiøse bevegelse som han ga det uheldige navn «modernismen». Det betegner en rasjonalistisk retning innenfor den katolske teologi, som gjorde seg bemerket ved begynnelsen av vårt århundre i Frankrike, England og Italia. Den ville forsone den kirkelige lære med den moderne tenkemåte og den nye tids ordning i Europa. Enkelte modernister snakket om kirkens dogmer som vekslende symboler for den religiøse sannhet, og de representerer særlig i dogmehistorien og Bibelkritikken en overdreven utviklingstankegang.
Hovedtalsmenn for modernismen var i Frankrike Alfred Loisy, ekseget ved Institut Catholique i Paris, i England George Tyrrell, i Italia Romolo Murri. Hovedtalsmennene for modernismen skulle ikke bare falle fra Kirken, men også fra enhver kristendom.
Pius' hovedkamp skulle bli mot modernismen. Etter gjentatte advarsler og etter å ha satt mistenkelige skrifter på Indeks, fordømte Pius X i dekretet Lamentabili av 3. juli 1907 65 eksegetiske og dogmehistoriekse teser, for det meste hentet fra Loisys skrifter. I det samme dekretet kom han med gjentatte fordømmelser av det liberale og demokratiske grunnlag for de moderne statsforfatninger, og det kom til nye konflikter med de verdslige makter. Pius Xs vurdering av den moderne verden og dens innretninger minnet fatalt om den salige pave Pius IX, og i Lamentabili kom han med en ny Syllabus.
I encyklikaen Pascendi dominici gregis (Vokt Herrens hjord) av 8. september 1907 ble modernismen (det vil si den moderne agnostisismen, panteismen og ateismen) fordømt og betegnet som «en syntese av alle kjetterier». Den 1. september 1910 kom Sacrorum antistitum, et motu proprio der paven foreskrev at alle geistlige før sin vielse skulle avlegge en anti-modernist-ed. Dette gjaldt naturligvis i særlig grad teologi- og filosofiprofessorene, som trengte kirkelig læretillatelse.
Resultatet ble en omfattende, ofte pinlig, sjikanering av vitenskapsmenn, som utvidet kløften mellom Kirken og intelligentsiaen.
Motstykket til modernismen var integralismen, som nådde sitt høydepunkt på denne tiden. Integralistene ville finne svarene på alle spørsmål i det private og offentlige liv i troen alene. Hovedmannen i den «integralistiske sammensvergelsen» var den italienske monsignore Umberto Benigni.
Disquisitio, den historiske studien som ble laget for å fremme Pius Xs saligkåring, påstår at Benigni bak ryggen på paven, men med støtte av betydelige menn i kurien, organiserte en jakt for å finne og ødelegge alle modernister, og det oppsto et uverdig angiveri blant kuriens embetsmenn. Benigni opprettet hemmelige reaksjonære legbevegelser under en sterk ledelse for å gjennomføre sine fullstendig anakronistiske krav. Selv biskoper ble grenseløst mistenkt.
Pius X var ikke uten skyld i at dette spillet kunne bli drevet så lenge, og hans underordnedes metoder og overdrivelser hadde en meget ugunstig virkning på den offentlige mening om paven. Fremfor alt ble den bibelske og kirkepolitiske forskning hemmet. Først Benedikt XV fikk en slutt på slike utvekster. Benigni (død 1934) ble senere spion og angiver for Mussolini.
Selv om Pius støttet den katolske bevegelse i Italia, søkte han å hindre den i å involvere seg politisk og å underlegge den hierarkiet. Pius var grunnleggende patriarkalsk i sin holdning, så han betonte i Il fermo proposito av 11. juni 1905 at hovedmålet for legfolket skulle være «igjen å sette Jesus Kristus i sentrum, i familien, skolen, hele samfunnet». Derfor suspenderte han den 28. juni 1904 Opera dei congressi, som koordinerte katolske foreninger i Italia, og motsatte seg interkonfesjonelle fagforeninger.
Den 25. august 1910 fordømte paven Marc Sangiers «liberale» Le Sillon-bevegelse i Frankrike, som hadde som mål å forsone katolisismen med venstreorienterte politiske idéer. Som kontrast var han tolerant nesten til det siste overfor den høyreorienterte, monarkistiske Action Française. Den ble til slutt også fordømt i 1914, men dekretet ble ikke offentliggjort før i 1926.
Om disse tiltakene stort sett var defensive, var Pius også ansvarlig for en konstruktiv fornyelse av det indre liv i Kirken. Reformene som han fikk i stand, er overraskende mangesidige. Han begynte med reform av kirkemusikken den 22. november 1903. Han betegnet den gregorianske sang som Den katolske Kirkes egentlige sang, som derfor særlig skulle brukes ved høytidelige gudstjenester. Pius X ga også den liturgiske bevegelse sterke impulser. Allerede i sin forordning om kirkemusikken hadde han henvist til at de troendes «aktive deltakelse» ved feiringen av eukaristien og i Kirkens liturgiske bønner, var «den kristne ånds første og absolutt nødvendige kilde». Han foreskrev elevasjonen av hostien og kalken. I 1911 grunnla han den kirkemusikalske høyskolen i Roma. Like betydelig var Breviarreformen i Divino afflatu av 1. november 1911 og hans innledning av en revisjon av Missale i 1914. Disse initiativene var så omfattende at han har vært hyllet som en pioner for den liturgiske bevegelse.
I tillegg sørget Pius X for en nykodifisering av kirkeretten. Det var et trengende nødvendig, fordi den daværende lovbok for Kirken var Corpus Iuris Canonici, som var totalt foreldet med hovedsakelig kronologisk samlete kirkelover. Codex-kommisjonen besto av kardinaler og representanter for teologisk og kanonisk vitenskap, og dens sekretær var Pietro Gasparri. De utarbeidet Codex Iuris Canonici, hvor de kirkerettslige bestemmelser skulle bli systematisk bearbeidet. Kardinalkommisjonen kunne imidlertid først legge frem et endelig resultat under pave Benedikt XV i 1917, men arbeidet var i realiteten ferdig ved Pius' død.
Den 25. desember 1904 ble de bestående forskriftene for sedisvakans og pavevalg sammenfattet og supplert. Den 2. august 1907 utstedte paven nye bestemmelser om forlovelse og ekteskap. Den 3. desember 1909 fulgte dekretet om biskopenes regelmessige rapporter om tilstanden i sine bispedømmer etter et enhetlig formular, og om Visitatio liminum, biskopenes regelmessige besøk i Roma. Pius X nyorganiserte også den kirkelige domstol, rotaen, og fikk laget en ny prosessordning, som han godkjente den 2. august 1910.
I Sapienti consilio av 29. juni 1908 offentliggjorde Pius X nyorganiseringen av kurien, de kirkelige departementer. Han reduserte antall kongregasjoner og tribunaler, fjernet foreldete embeter, og den enkelte myndighets kompetanse og oppgaver ble fordelt. Dermed skulle kurien bli bedre i stand til å løse sentralorganisasjonens oppgaver, som de hadde fått allerede på konsilet i 1869/70. Det ble også opprettet en funksjonærrett.
I Acta Apostolicae Sedis skapte Pius X et pavelig embetsblad, hvor de pavelige konstitusjoner og de romerske myndigheters utgivelser fra 1. januar 1909 ble offentliggjort uavkortet.
Pius var fremfor alt en hyrde, og han tok skritt for å forbedre geistlighetens åndelige og moralske nivå og deres pastorale effektivitet. Dette ble oppnådd gjennom visitasjoner og ved å reformere seminarene og deres undervisningsplaner, og ved opprettelsen av regionalseminarer. Paven forpliktet presteskapet til i det minste hvert tredje år å delta i åndelige retretter. Han sørget dermed for en fordypning i den asketiske og vitenskapelige utdannelsen av prester. Trosundervisning, preken og en oppmuntring til hyppig kommunion skulle bli sentrum for prestenes virke. Han reorganiserte også legkateketopplæringen og satte i gang forberedelser for en ny katekisme. Han fikk betydelig innflytelse på det kirkelige liv gjennom sin støtte til Den katolske Aksjon, en konservativ legbevegelse, og søkte å verve legfolk, under hierarkiet, for å samarbeide om Kirkens apostoliske oppgave.
Pius X var først og fremst Kommunionens pave. På det pastorale området viste kommunionsdekretet av 20. desember 1905 seg som fruktbar for fremtiden. Det anbefalte en ofte, om mulig daglig, mottakelse av Den hellige Kommunion, som allerede var ønsket på Trient-konsilet. I det så paven et virksomt middel til religiøs forbedring. Dekretet supplerte han den 8. august 1910 gjennom bestemmelser om barnekommunion fra ca sju års alder og å gjøre kommunion for syke lettere.
Pius X hadde også på forskjellig måte lagt vekt på betydningen av Bibelstudiet, og den 7. mai 1909 grunnla han Det pavelige Bibelinstitutt. Allerede i 1907 hadde han betrodd Benediktinerordenen revisjonen av Vulgata, den latinske oversettelsen av Bibelen.
Den religiøse fornyelse under Pius X ble i stor grad gjennomført med kirkelig kontroll. Hans alvorlige reformvilje lignet Paul IVs i sin sentralistiske innstilling, og førte til lignende metoder også i gjennomføringen, av omsorg for å bevare den kirkelige lære uskadd.
Pius X arbeidet for å styrke katolikkenes misjonsiver, og fremmet særlig misjonsselskapene. Misjonsarbeidet ble under hans pontifikat fortsatt med suksess i nesten alle land på jorden.
Den 28. juni 1914 falt skuddene i Sarajevo. I et apostolisk skriv av 2. august 1914 til alle katolikker i verden, oppfordret paven folket til bønn. Han ga uttrykk for sin rystelse over den begynnende krigen og henviste til Kristus, Fredsfyrsten. «Jeg ville gjerne ofre mitt liv, hvis jeg dermed kunne kjøpe fred i Europa.»
Tidlig på morgenen den 20. august 1914 døde Pius X i Roma av en lungebetennelse. Etter hans eget ønske ble han bisatt i en prunkløs sarkofag i grotten i Peterskirken. Han skrev i sitt testamente: «Jeg ble født fattig, har levd som fattig og jeg ønsker å dø fattig.»
Pius X var på mange måter dypt konservativ, og ble også ansett slik av samtidige. Men han hører også til de største og mest konstruktive reformpavene på grunn av reorganiseringen av kurien og nyordningen av kirkeretten, men særlig på grunn av den religiøse fornyelsen av Kirken han sterkt hadde fremmet. Målet for Pius Xs pontifikat, å «fornye alle ting i Kristus», kunne han langt på vei virkeliggjøre. Han karakteriseres som en «konservativ reformpave», og vil alltid ha en fremtredende plass i pavehistorien.
Pius X ble tillagt mirakler ennå mens han levde, og italienerne kalte ham allerede da «il Papa Santo». Straks etter hans død var det et inntrengende folkelig ønske om hans kanonisering. Prosessen begynte i 1923, og han ble saligkåret av Pius XII den 3. juni 1951, og den 29. mai 1954 ble han helligkåret som den første pave på 242 år. Hans minnedag var opprinnelig den 3. september, men siden 1969 er den 21. august.