Ngày 30 tháng 8 năm 257, Đức Xystô lên ngôi Giáo hoàng, kế vị Đức Stephanô I giữa lúc Giáo hội đang chìm trong con người bách hại thời Valerianô. Pontiô, một phó tế của Thánh Cyprianô gọi Ngài là “Linh mục nhân hậu hòa nhã”. Ngài đã tránh được một cuộc ly khai khi để cho các Giáo hội địa phương tự do theo thói quen rửa tội lại cho các người theo lạc giáo.
Một năm sau thánh Cyprianô loan tin: Đức giáo hoàng Xystô đã bị xử tử đêm 6 tháng 8 cùng với 4 vị trợ tá (phó tế) của Ngài. Các Kitô hữu Roma đã bị binh lính đột kích trong khi đang cử hành thánh lễ tại hang toại đạo Callistô. Để khỏi bị bắt giam tất cả, Đức Xystô đã hiến mình chịu chết. Ngài bị chặt đầu ngay tại ngai tòa giám mục cùng với 4 vị trong số 7 vị trợ tá (phó tế) của Ngài là Gianuariô. Mahnô, Vicentê và Stêphanô. Hai vị khác là Fêlicissimô và Agapitô đã bị bắt và bị chặt đầu cùng ngày tại hang toại đạo Praetextato.
Cái chết vì đoàn chiên trong những cảnh thương tâm như vậy đã khiến cho Đức Xystô được dân chúng tôn kính rộng rãi. Ngài được mai táng trong hầm mộ giáo hoàng tại chính nơi Ngài chịu chết. Tuy nhiên di hài của Ngài có lẽ đã được Đức Lêô IV (847 – 855) dời về thánh đường Xystô vẫn còn được tôn kính cho đến ngày nay.
