San Sixto sucedió a san Esteban I en el pontificado, el año 257. Como la disputa sobre la validez del bautismo conferido por los herejes había quedado pendiente, san Dionisio de Alejandría consultó a san Sixto II en tres cartas y le aconsejó que contemporizase un poco con los obispos africanos y asiáticos en la controversia bautismal. En efecto, San Sixto II se mostró conciliador en ese punto y se contentó simplemente con poner en claro la verdadera doctrina; sus sucesores prosiguieron la misma política, hasta que el Concilio, mencionado por san Agustín, condenó definitivamente el error de que el bautismo conferido por los herejes era inválido. Poncio, el biógrafo de san Cipriano, califica a san Sixto II de «sacerdote bueno y pacífico».

El emperador Valeriano publicó su primer decreto contra los cristianos el año 257. La persecución produjo una gran cantidad de mártires y se recrudeció todavía más al año siguiente. Dos meses después del edicto de Valeriano, san Cipriano escribía a los otros obispos de África: «Valeriano ha enviado al Senado una orden que manda condenar a muerte a los obispos, sacerdotes y diáconos .. . Sabed que Sixto padeció el martirio en un cementerio, el día 6 de agosto, acompañado de cuatro diáconos. En Roma, la persecución es muy aguda. Las personas que comparecen ante los representantes del emperador no escapan del martirio ni de la confiscación de todos sus bienes. Os ruego que comuniquéis estas noticias a mis colegas, para que nuestros hermanos se preparen a la gran prueba, para que pensemos más en la inmortalidad que en la muerte y para que en nuestros corazones reine el gozo y no el temor, pues bien sabemos que los que confiesan a Cristo no mueren, sino que van a recibir la corona». El martirio de san Sixto se llevó a cabo en un cementerio, porque durante las persecuciones, los cristianos se reunían en las catacumbas para celebrar los divinos misterios, a pesar de que Valeriano había prohibido tales reuniones. Así, nada tiene de extraño que los soldados hayan sorprendido allí al Sumo Pontífice, quien se hallaba predicando a la asamblea, sentado en su cátedra. No sabemos si fue decapitado inmediatamente, o si fue primero juzgado. Recibió sepultura en el cementerio de San Calixto en la Vía Apia, frente al cementerio de Pretextato, en el que había sido capturado. Un siglo más tarde, el papa san Dámaso redactó una inscripción para su tumba. San Sixto fue uno de los papas más venerados después de san Pedro, y su nombre aparece en el canon de la misa. Cuatro diáconos fueron hechos prisioneros al mismo tiempo que san Sixto y murieron con él: san Genaro, san Vicente, san Magno y san Esteban. Probablemente san Felicísimo y san Agapito sufrieron el martirio el mismo día y fueron sepultados en el cementerio de Pretextato. Como lo había predicho san Sixto, el otro diácono de la Ciudad Eterna, san Lorenzo, fue martirizado cuatro días más tarde.

Los documentos que afirman que San Sixto fue martizado el 6 de agosto y sepultado en la catacumba de Calixto son muy antiguos y fehacientes. Delehaye, en Comentario sobre el Martirologium Hieronymianum (pp. 420-421), resume dichos documentos. Una lectura equivocada de la inscripción de san Dámaso llevó a Prudencio a la conclusión de que san Sixto había sido crucificado; pero en realidad murió por la espada. Por otra parte, el Liber Pontificalis se equivoca al afirmar que san Felicísimo, san Agapito y los «cuatro diáconos» fueron sepultados en el cementerio de Pretextato; cf. las notas de Duchesne (vol. 1, pp. 155 - 156), y Pio Franchi de Cavalieri en Studi e Testi, vol. VI, pp. 147-148.
Cuadro: Fra Angelico, Sixto II entrega a Lorenzo los tesoros de la Iglesia, fresco de 1447 - 49, en la capilla Nicolina, Vaticano.