Era figlio di un certo Pastor, romano della regione di via Lata. Il suo nome, Xystus, probabilmente di origine greca, è stato in seguito erroneamente confuso con Sistus che fu il sesto successore di Pietro. Secondo il Catalogo Liberiano dei papi, svolse il suo pontificato sotto l'imperatore Adriano,  ovvero dal 117 al 126. Lo storico Eusebio di Cesarea invece, in due scritti diversi riporta due periodi diversi: nel Chronicon dice che fu papa dal 114 al 124, mentre nell'Historia ecclesiastica afferma che regnò dal 114 al 128. In ogni caso, tutti gli studiosi concordano sul fatto che regnò circa 10 anni. Secondo il Liber Pontificalis, durante il suo pontificato emanò 3 disposizioni:

• nessuno, ad eccezione dei ministri del culto, durante la consacrazione può toccare il calice e la patena;
• i vescovi che si sono recati presso la Santa Sede, al loro ritorno nella diocesi devono presentarsi con una lettera apostolica che conferma la loro piena comunione con il successore di Pietro;
• dopo il Prefazio della messa il sacerdote deve recitare il Sanctus con l'assemblea.

Al periodo del suo papato forse, risalgono le prime divergenze tra la Chiesa di Roma e le chiese d'Oriente, in quanto mentre queste già celebravano la festa della Pasqua, tale festa non era ancora stata stabilita in occidente. A lui furono attribuite due lettere, sulla dottrina della Trinità e sul primato del vescovo di Roma, che sono considerate apocrife. Secondo una leggenda fu lui ad inviare il primo missionario per l'evangelizzazione della Gallia, il vescovo Pellegrino. Alla sua morte, il suo corpo fu inumato nella Necropoli vaticana. La memoria liturgica di San Sisto I ricorre il 3 aprile.

« 3 aprile - A Roma, san Sisto I, papa, che, al tempo dell’imperatore Adriano, resse la Chiesa di Roma, sesto dopo il beato Pietro. »

Viene venerato come patrono di Alife e di Alatri, nelle diocesi di Alife-Caiazzo e diocesi di Anagni-Alatri. Variegate sono le tradizioni locali per cui le reliquie di san Sisto I si trovino in queste due città. Dal Medioevo, fino a pochi anni or sono, la questione delle reliquie ha diviso le città di Alife e di Alatri, ognuna delle quali riteneva di detenere per intero il corpo di san Sisto. Recenti studi, condotti sia ad Alife che ad Alatri negli anni ottanta, mostrano che entrambe le città hanno circa il 50% del corpo del Santo. Queste tradizioni locali hanno solide origini medievali. Alcune altre reliquie sono conservate in San Sisto a via Appia, dove, nella parete sinistra della chiesa, è murato, dietro una lapide, un cofanetto che le contiene, insieme a quelle di altri martiri.