Após o martírio de Sisto II, a Sé de Roma ficou vacante por quase um ano devido à violência das perseguições. São Dionísio foi eleito quando o imperador Galiano emitiu um edito de tolerância. Ele reorganizou as paróquias de Roma e enviou grandes somas de dinheiro para resgatar cristãos capturados por bárbaros na Capadócia. Teologicamente, esclareceu a doutrina da Trindade contra o sabelianismo, mantendo um equilíbrio entre a unidade de Deus e a distinção das Pessoas Divinas.