Il naquit vers l’an 200 à Terranova da Sibari, en Calabre, en Italie. Entré dans le clergé romain, il était prêtre sous le pontificat de saint Etienne Ier durant lequel il apparut dans une controverse quant au baptême des hérétiques. Après un an de vacance suite au martyre de saint Sixte II, il fut élu pape le 22 juillet 259.

Son pontificat fut marqué par le début d’une période de tolérance envers les chrétiens, sous l’empereur Gallien. Il réorganisa l’Eglise qui avait beaucoup souffert des persécutions passées. Il renforça le pouvoir des prêtres par rapport aux diacres et lutta contre les hérésies, notamment relatives à la Sainte Trinité. Il réunit un concile à Rome vers 262 pour condamner le modalisme.

Denys renforça les relations avec les églises éloignées de Rome. Il soutint financièrement des communautés, notamment en Cappadoce pour racheter les chrétiens retenus captifs par les Goths. Il mourut à Rome le 26 décembre 268 ; il est le premier pape à n’être pas mort martyr.