Dzieła Dionizy pozostawił po sobie liczne dzieła literackie, najczęściej w formie listów. Tylko dwa (do Nowacjana i do Bazylidesa) zachowały się w całości. Pozostałe znane są we fragmentach cytowanych przez Euzebiusza z Cezarei. Dionizy był między innymi autorem pisma O męczeństwie Orygenesa. Do Bazylidesa z Pentapolis pisał o warunkach, jakie musi spełniać penitent, by przyjąć komunię, oraz o długości wielkiego postu. W liście adresowanym do Hermammona przedstawił relacje z przebiegu prześladowań chrześcijan w okresie rządów cesarzy Decjusza Trajana, Gallusa i Waleriana.
Zachowały się listy późniejszego papieża Dionizego do Dionizego Wielkiego, będące fragmentem korespondencji dotyczącej możliwości chrztu heretyków i schizmie Nowacjana. Podobną tematykę rozwijał także w listach do innych osób: papieża Stefana i rzymskiego kapłana Filemona. W listach do papieża Sykstusa II i bpa Germana występował przeciwko odmawianiu odstępcom prawa do nawrócenia, potępiał chiliastów, quartodecimanów, wystąpił też z krytyką błędów Pawła z Samosaty, a także Sabeliusza. W dwóch księgach „O obietnicach”, ale także w prowadzonych dysputach, zwalczał millenaryzm, któremu ulegli współcześni mu mnisi.