Hacia el año 495, Santa Genoveva hizo edificar una basílica sobre el sepulcro de San Dionisio. Es este el testimonio más antiguo que poseemos con respecto al primer obispo de París. Un siglo después, Venancio Fortunato atestigua la difusión de su culto hasta Burdeos, mientras que Gregorio de Tours relata cómo, hacia el 250, el Papa de Roma había enviado a la Galia a siete obispos que se habían afincado respectivamente: Gaciano en Tours, Trófimo en Arles, Pablo en Narbona, Saturnino en Tulouse, Dionisio en París, Austremonio en Auvernia y Marcial en Limoges. Parece que fue breve el episcopado de Dionisio, pues se cree que sufrió el martirio en la persecución de Decio (250-251) o, con mayor probabilidad, en la de Valeriano (258). El cuerpo del mártir fue depositado en el mismo lugar en que se levantaría la basílica de San Dionisio. junto a ella se fundó una abadía, que estaba llamada a alcanzar una notable irradiación (siglo VII).

En cuanto al lugar del martirio, quizá fue Catuliaco, aldea próxima a París por el norte, que hoy lleva el nombre de Saint-Denis y es un centro industrial. Parece sin fundamento y muy tardía la tradición que le supone muerto en la colina de Montmartre, a corta distancia de la moderna y no demasiado espiritualizada Place Pigalle.

En Catuliaco se construyó primero una basílica (posteriormente catedral) para acoger sus reliquias, y el lugar, convertido en monasterio en el siglo VII, acabará siendo el panteón de los reyes de Francia, de los cuales es patrono san Dionisio.

Se le representa a menudo con la cabeza en las manos, origen de la leyenda de que, tras su decapitación, se levantó y cogiendo su cabeza echó a andar hasta desplomarse donde una piadosa mujer le dio sepultura.

No menos legendaria es la historia que le hace contemporáneo de los apóstoles e incluso le identifica con el Dionisio Areopagita que san Pablo convirtió en Atenas, y al que se atribuyeron infundadamente diversas obras de carácter místico que en realidad fueron escritas en el siglo V.

Santo invocado bélicamente por los franceses de antaño en las batallas, como Santiago entre los españoles, forma parte sustancial del pasado de Francia.