Il est le premier pape à porter un nom déjà utilisé : Sixte Ier avait régné au IIIe siècle (voir Nom de règne des papes).

D'origine grecque, il rétablit les relations avec les Églises d'Orient et d'Afrique qui avaient été interrompues par son prédécesseur sur la question du Baptême.

Durant son pontificat, la reprise des persécutions contre les chrétiens fait passer les problèmes internes de l'Église au second plan. En effet, l'empereur Valérien, plutôt neutre jusqu'à cette époque vis-à-vis des chrétiens, exige de ceux-ci la participation au culte impérial et interdit les cérémonies dans les catacombes. À partir du mois d'Août 258, des mesures drastiques sont prises contre le clergé. Sixte II se réfugie avec plusieurs diacres dans une catacombe en bordure de la Voie Appienne. Découvert le 6 août 258 par des soldats il est traîné devant un Tribunal, puis ramené sur le lieu de sa capture et décapité. Quatre diacres sont également exécutés.

Avant de mourir, il aurait remis le Saint Calice à son diacre saint Laurent de Rome.

Il est inhumé dans la Crypte des Papes de la catacombe de Saint-Calixte.

Considéré comme un Saint et Martyr par l'Église catholique, il est fêté le 7 août.

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