Papežem byl zvolen až téměř rok po umučení svého předchůdce Sixta II., neboť v době vrcholícího pronásledování křesťanů za vlády císaře Valeriana bylo prakticky nemožné volbu zorganizovat. Mohla se tedy odehrát až poté, když byl Valerianus v bitvě s Peršany zajat a později popraven. Po ukončení hlavní vlny pronásledování reorganizoval zdevastovanou strukturu římské církevní správy. Dionýsius je prvním z papežů, který prokazatelně nezemřel jako mučedník.