Nacque in Alessandria d’Egitto verso la fine del II sec. da genitori pagani, ma si convertì alla fede leggendo testi cristiani e divenne sacerdote; fu discepolo di Origene, con il quale rimase sempre in buoni rapporti. Nel 247, alla morte di Eraclas, divenne vescovo di Alessandria. Il suo episcopato durò diciassette anni e fu funestato da tre persecuzioni: la prima, del 248, scoppiata ad Alessandria alla fine del regno di Filippo l’Arabo, che degenerò in guerra civile; la seconda, di Decio (249-51), che imperversò in tutto l’Impero, e fu tra le più accanite che la storia conosca; e la terza, che scoppiò nel 257, sotto Valeriano.
La persecuzione di Decio ce la descrive lo stesso Dionigi nelle sue lettere a Germano e a Fabio. Anche Dionigi si decise a fuggire, perché la situazione in città si faceva sempre più confusa. Arrestato dalle guardie imperiali, venne quasi subito liberato da una folla di contadini in festa, tra i quali erano capitati per puro caso. Tornò ad Alessandria alla fine del 251, dopo la morte di Decio.
Durante la terza persecuzione, scoppiata nel 257. sotto Valeriano, Dionigi venne esiliato in Libia e poi nella Mareotide. Approfittò di questa sua permanenza in esilio per annunziare il Vangelo in quei luoghi. Triste retaggio della guerra, poi, furono la carestia e la peste, che colmarono di dolore gli ultimi suoi giorni. Invitato a partecipare al sinodo di Antiochia del 264,si scusò, adducendo a motivo «la sua vecchiezza e la debolezza del suo corpo». Mori in quello stesso anno dopo avere presieduto per diciassette anni la Chiesa di Alessandria.