Dionysius succèda en zuillet 260 à Sixte II, après une vacance de deux ans du sièze épiscopal suite à la persécution de l'empereur Valérien. À la mort de celui-ci, le nouvel empereur prit un édit de tolérance et leur rendit  leurs lieux de culte.

 Il s'efforca de réorganiser l'Église, localement très éprouvée, et renforça le rôle des prêtres au détriment de celui des diacres. Il renoua le contact avec les églises d'Afrique et d'Ase.

 Denys mourut le 26 décembre 268, unanimement regretté par ses fidèles. Il est le premier pape à ne pas être martyr.