Quando foi nomeado bispo de Paris a região ainda era conhecida como Lutécia. Nesse período, forte perseguição ao povo cristão. O imperador Valeriano, que governava a província romana, solicitou que Dionísio fosse colocado como mártir. Era o ano 258 e ele foi maritizado na vila de Catulliacus, atual região de Saint-Denis, próximo a Paris.
Próximo ao túmulo, uma abadia conhecida por Saint-Denis-de-l’Estrée foi erguida, mas acabou sendo demolida no século XVIII.
Já no século V, uma basílica foi construída próxima do túmulo de São Dionísio, bem como outra abadia no ano 626.
Há relatos de que após ser decapitado, ele teve o corpo sendo visto a caminhar até essa região da abadia, carregando a cabeça nas mãos e sendo guiado por um anjo. Suas representações póstumas sempre apresentam a cabeça nas mãos. A festa de São Dionísio é celebrada em 9 de outubro.