Nie jest znana data i miejsce urodzin Dionizego. Prawdopodobnie był Grekiem. Zwany jest Dionizym Rzymskim. Biskupem Rzymu został 22 lipca 260 roku po ustaniu prześladowań chrześcijan przez cesarza Waleriana. Od śmierci Sykstusa Kościołem zarządzali prezbiterzy, gdyż wszystkich siedmiu diakonów zgładzono wraz z Sykstusem. Przed wyborem na biskupa Rzymu Dionizy był prezbiterem. Podczas pontyfikatu Dionizego odbudowana została gmina chrześcijan w Rzymie. Cesarz Galien odstąpił od praktyk stosowanych przez swego ojca (Waleriana) i przywrócił chrześcijanom skonfiskowaną własność. Dionizy przydzielił parafie i cmentarze poszczególnym duchownym. Wspomagał chrześcijan dotkniętych nieszczęściem. Prowadził spór doktrynalny ze swoim imiennikiem Dionizym z Aleksandrii, zwanym Dionizym Wielkim, dotyczący Świętej Trójcy. Dionizy Wielki przesadnie uwypuklał różnice między Ojcem i Synem. Synod w Rzymie potępił poglądy Dionizego Wielkiego. Papież Dionizy skierował do Aleksandrii dwa listy: jeden prywatny do Dionizego z Aleksandrii, drugi do Kościoła aleksandryjskiego. Dionizy Wielki w swym piśmie do papieża (Biblia elemchu kai apologies) usprawiedliwiał się ze swoich poglądów i zapewniał o swej zgodności z rzymską doktryną o Trójcy Świętej.

Dionizy zwalczał herezję sabelianizmu (doktryny Sabeliusza z Libii).Zmarł 26 grudnia 268 roku. Został pochowany w Katakumbach św. Kaliksta. Jest pierwszym papieżem, który bie był uznany za męczennika. Data śmierci była jego dniem liturgicznym.