Pouco se sabe sobre a vida de São Dionísio antes de sua eleição como bispo de Milão em 349. Acredita-se que Dionísio era de origem grega e amigo do imperador romano Constantius II antes de sua eleição. A época histórica em que Dionísio viveu foi marcada por confrontos entre arianos e seguidores da fé definida no Concílio de Niceia.
Em 355, o Papa Libério pediu ao Imperador que convocasse um Sínodo em Milão, realizado na nova Basílica Nova (ou Basílica Maior ou São Tecla). Apesar das grandes esperanças, o concílio não alcançou seus objetivos devido à grande presença de bispos arianos e à ausência do defensor da fé de Niceia, Eusébio de Vercelli.
Inicialmente, Dionísio parecia pronto a seguir os arianos condenando o atanásio de Alexandria, acusado não de heresia, mas de lesa-majestade contra o Imperador. No entanto, a chegada de Eusébio mudou a situação.
Eusébio pediu que os bispos assinassem imediatamente a fé de Niceia. Enquanto Eusébio, o legado papal Lúcifer de Cagliari e Dionísio assinaram, o bispo ariano Valenço de Mursia destruiu violentamente o ato de fé. Constantius, não acostumado com a independência dos bispos, mudou o sínodo para o seu palácio e cruelmente castigou Eusébio, Lúcifer e Dionísio, que foram todos exilados (e também o Papa Libério foi exilado em seguida).
Dionísio foi exilado em Caesarea da Capadócia e substituído como bispo de Milão pelo ariano Auxêncio, nomeado pelo imperador.
Dionísio morreu no exílio entre 360 e 362. Uma tardia tradição, historicamente não fundamentada, associa Dionísio à família Mariani de Milão. Sua festa é celebrada em 25 de maio. Acredita-se que em 375 ou 376, São Ambrósio enviou uma delegação para recuperar o corpo de Dionísio e transladá-lo para Milão.
Hoje, três paróquias da Lombardia são dedicadas a São Dionísio: San Dionigi em Pratocentenaro em Milão, San Dionigi em Premana e San Dionigi em Carcano de Albavilla.
