Dionysius wurde um 231 Vorsteher der berühmten Katechetenschule in Alexandria und um 247 in hohem Alter Bischof. Er musste bald schon vor den Christenverfolgern unter Kaiser Decius fliehen und begab sich 250 nach Libyien und ins Nil-Delta. Als er 260 unter Kaiser Gallienus zurückkehren konnte, fand er sein Bistum verwüstet.
Dionysius war Schüler von Origines. Ein sorgfältiger Vergleich der Offenbarung des Johannes und des Evangeliums des Johannes brachte ihn dazu, die Verfasserschaft des Apostels für die Offenbarung zu bestreiten - und damit den schwärmerischen Chiliasten seiner Zeit entgegenzutreten. Gegen die Novatianer unterstützte Dionysius die Wiederaufnahme der in der Verfolgung unter Kaiser Decius Abgefallenen in die Gemeinschaft der Kirche und trat für eine mildere Bußpraxis ein; im Streit zwischen Novatian und dem römischen Bischof Cornelius versuchte er zu vermitteln, schrieb viele Briefe und mahnte in einem persönlichen Schreiben Novatian zur Umkehr. Auch in den Auseinandersetzungen zwischen dem römischen Bischof Stephanus I. und Cyprian von Karthago bemühte er sich um Ausgleich. Viele von Dionysius' Briefen wurden für Eusebius von Cäsarea eine wertvolle Quelle, einige sind bis heute erhalten.
Dionysius vertrat - v.a. in der Auseinandersetzung mit den Schwärmern in Libyen -, dass Jesus Christus nicht auf einer Stufe mit dem Vater stehe, sondern "nur" dessen Geschöpf sei. Ägyptische Kleriker wandten sich daraufhin an Bischof Dionysius von Rom; eine römische Synode verurteilte 262 den "Subordinatianismus", Dionysius von Rom teilte dem Bischof von Alexandria die Beschlüsse der in seiner Lehrschrift mit: der Sohn sei nicht "geschaffen", aber "qezeugt"; er kann nicht geworden sein, da es sonst eine Zeit gab, in der er nicht war; er war aber immer, da er im Vater ist und des Vaters Logos, Macht und Weisheit, ohne die Gott niemals gewesen sein kann. Dionysius von Alexandria widerrief seine Anschauung von der Geschöpflichkeit des Logos und betonte in einer ausführlichen Schrift die Ewigkeit des Logos und seine Wesenseinheit mit dem Vater.
Aufgrund seines Exils und des verwüstet vorgefundenen Bistums gilt Dionysius der östlichen Tradition als Märtyrer.
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