Po uwolnieniu przez wieśniaków pod koniec 251 roku mógł wrócić do stolicy biskupiej. Prześladowania za Waleriana I przyniosły mu postawienie przed prefektem Emilianem i zesłanie do Kefro (Libia), a następnie do Mareotis (258–262). Zgodnie z treścią zarządzenia cesarskiego powinien ponieść śmierć podobnie jak biskup Kartaginy Cyprian. Nie wiadomo, dlaczego zapadł inny wyrok. Mimo doświadczonych represji, jak wielu mu współczesnych, nie wyparł się wiary>. Na rozkaz Galiena uwolniono go w 262 r. Do tradycji, zachowanej w Kościołach egipskich do IX wieku, weszło wysyłanie listów pasterskich przez biskupów aleksandryjskich na rozpoczęcie wielkiego postu, które zapoczątkowały jego listy paschalne (Epistolai heortastikai) do Flawiusza, Domicjusza i Dydyma Ślepego. Dionizy Wielki zmarł w czasie trwania synodu w Antiochii.