Il succède en juillet 260 à Sixte II, après une vacance de 2 ans du siège épiscopal suite à la persécution engagée par l’empereur Valérien. À la mort de celui-ci le nouvel empereur Gallien rassure les chrétiens par un édit de tolérance qui leur rend en particulier leurs lieux de culte. Le 22 juillet le prêtre Denys, connu pour son zèle au sein de l’Église, est élu évêque de Rome.
Denys tint à Rome en 261 un concile où fut anathématisée l’hérésie de Sabellius .
Il s’efforce de réorganiser l’Église, localement très éprouvée, et renforce le rôle des prêtres au détriment de celui des diacres. Il renoue ensuite le contact avec les Églises d’Afrique et d’Asie. Une de ses lettres redéfinit la position de Rome sur la validité du baptême des hérétiques et sur la doctrine de la Trinité.
Denys gère avec habileté le conflit intervenu dans l’Église d’Alexandrie entre le patriarche et une partie de son clergé. Le patriarche, accusé d’hérésie, se disculpe auprès de Denys. Celui-ci, il est vrai, était resté très mesuré dans sa lettre relevant les griefs à l’encontre du patriarche.
Denys meurt le 26 décembre 268, unanimement regretté par ses fidèles. Il est le premier pape à ne pas être martyr.
Il est inhumé dans la crypte des Papes de la catacombe de Saint Calixte bien que sa pierre tombale ne fut jamais retrouvée.
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