Siendo ya obispo de la metrópoli egipcia, la persecución de Decio le obligó a emprender la fuga. Volvió a Alejandría después de la muerte del emperador; pero durante el reinado de Valeriano fue desterrado a Libia, y más tarde a Mareotis, en Egipto. Cuando se reincorporó a su sede, se produjeron nuevos disturbios: estalló una guerra civil, se declaró la peste, y cayeron sobre él nuevos infortunios. Murió durante el sínodo de Antioquía (264-265) de una enfermedad que le impidió asistir al mismo.
La posteridad le ha dado el sobrenombre de «Dionisio el Grande» por su valor y firmeza en medio de las luchas y adversidades de su vida. Fue un gran hombre de Iglesia; su influencia llegó mucho más allá de las fronteras de su diócesis. Fue, además, autor de un gran número de escritos que tratan de cuestiones tanto prácticas como dogmáticas. Sus cartas muestran que tomó parte activa en todas las grandes controversias doctrinales de su tiempo.
De sus numerosas obras nos quedan, desdichadamente, tan sólo pequeños fragmentos. La mayor parte de ellos los ha conservado Eusebio, que le dedicó casi todo el libro séptimo de su Historia eclesiástica. Además de las que mencionaremos, Eusebio dice (Hist. eccl. 7,26,2) que Dionisio dedicó una obra «Sobre las tentaciones» a un tal Eufranor, pero de ella no conocemos más que el título. (Quasten)
El conjunto de fragmentos fue editado en griego, con abundantes notas críticas en 1904 por Charles Lett Feltoe, en el volumen titulado «The Letters and Other Remains of Dionysius of Alexandria» (Cambridge University Press). Con posterioridad el mismo estudioso tradujo al inglés los textos de Dionisio, en el volumen «St Dionysius of Alexandria» (Cornell University Library).