En 1850 recibió la tonsura de manos del Obispo de Treviso y obtuvo una beca de la Diócesis de Treviso para estudiar en el seminario de Padua, donde terminó sus estudios filosóficos, teológicos y de los clásicos con honores. Fue ordenado sacerdote en 1858, y durante nueve años fue capellán de Tómbolo, teniendo que asumir muchas de las funciones del párroco, puesto que éste ya era anciano e inválido. Buscó perfeccionar su conocimiento de la teología a través de un estudio asiduo de Santo Tomás y el derecho canónico; al mismo tiempo estableció una escuela nocturna para la educación de los adultos, y siendo él mismo un ferviente predicador, constantemente era invitado a ejercer este ministerio en otros pueblos.

En 1867 fue nombrado arcipreste de Salzano, un importante municipio de la Diócesis de Treviso, en donde restauró la iglesia y ayudó a la ampliación y mantenimiento del hospital con sus propios medios, en congruencia con su habitual generosidad hacia los pobres; especialmente se distinguió por su abnegación durante una epidemia de cólera que afectó a la región. Mostró una gran solicitud por la instrucción religiosa de los adultos. En 1875 creó un reglamento para la catedral de Treviso; ocupó varios cargos, entre ellos, el de director espiritual y rector del seminario, examinador del clero y vicario general; más aún, hizo posible que los estudiantes de escuelas públicas recibieran instrucción religiosa. En 1878, a la muerte del Obispo Zanelli, fue elegido vicario capitular. El 10 de Noviembre de 1884 fue nombrado Obispo de Mantua, en ese entonces una sede muy problemática, y fue consagrado el 20 de Noviembre.

Su principal preocupación en su nuevo cargo fue la formación del clero en el seminario, donde, por varios años, enseñó teología dogmática y, durante un año, teología moral. Deseaba seguir el método y la teología de Santo Tomás, y a muchos de los estudiantes más pobres les regaló copias de la “Summa Theologica”; a la vez, cultivó el Canto Gregoriano en compañía de los seminaristas. La administración temporal de la sede le impuso grandes sacrificios. En 1887 celebró un sínodo diocesano. Mediante su asistencia en el confesionario, dio ejemplo de celo pastoral. La Organización Católica de Italia, conocida entonces como la “Opera dei Congressi”, encontró en él a un celoso propagandista desde su ministerio en Salzano.

En el consistorio secreto celebrado en Junio de 1893, León XIII lo creó Cardenal, con el título de San Bernardo de las Termas; y en el consistorio público, tres días más tarde, fue preconizado Patriarca de Venecia, conservando mientras tanto el título de Administrador Apostólico de Mantua. El Cardenal Sarto fue obligado a esperar dieciocho meses, antes de tomar posesión de su nueva diócesis, debido a que el gobierno italiano se negaba a otorgar el exequatur, reclamando que el derecho de nominación había sido ejercido por el Emperador de Austria. Este asunto fue tratado con amargura en periódicos y panfletos; el Gobierno, a manera de represalia, rehusó extender el exequatur a los otros obispos que fueron nombrados durante este tiempo, por lo que el número de sedes vacantes creció a treinta. Finalmente, el ministro Crispi, habiendo regresado al poder, y la Santa Sede, habiendo elevado la misión de Eritrea a la categoría de Prefectura Apostólica en atención a los Capuchinos Italianos, motivaron al Gobierno a retractarse de su posición original. Esta oposición no fue causada por ninguna objeción contra la persona de Sarto.

En Venecia el cardenal encontró un estado de cosas mucho mejor que el que había hallado en Mantua. También allí puso gran atención en el seminario, donde logró establecer la facultad de derecho canónico. En 1898 celebró el sínodo diocesano. Promovió el uso del Canto Gregoriano y fue gran benefactor de Lorenzo Perosi; favoreció el trabajo social, especialmente los bancos en las parroquias rurales; se dio cuenta de los peligros que entrañaban ciertas doctrinas y conductas de algunos Cristiano-Demócratas y se opuso enérgicamente a ellas. El Congreso Eucarístico Internacional de 1897, en el centenario de San Gerardo Sagredo (1900), la bendición de la primera piedra del nuevo campanario de San Marcos y la capilla conmemorativa en el Monte Grappa (1901) fueron eventos que dejaron una profunda impresión en él y en su gente. A la muerte de León XIII, los cardenales se reunieron en cónclave y, después de varias votaciones, Giuseppe Sarto fue elegido el 4 de Agosto al obtener 55 de 60 votos posibles. Su coronación tuvo lugar el siguiente Domingo, 9 de Agosto de 1903.

En su primera Encíclica, deseando revelar hasta cierto punto su programa de trabajo, mencionó el que sería el lema de su pontificado: “instaurare omnia in Christo” (Ef 1,10). En consecuencia, su mayor atención giró siempre sobre la defensa de los intereses de la Iglesia. Pero ante todo, sus esfuerzos también se dirigieron a promover la piedad entre los fieles, y a fomentar la recepción frecuente de la Sagrada Comunión, y, si era posible, hacerla diariamente (Decr. S. Congr. Concil., 20 de Diciembre, 1905), dispensando a los enfermos de la obligación de ayunar para poder recibir la Sagrada Comunión dos veces al mes, o incluso más (Decr. S. Congr. Rit., 7 de Diciembre, 1906).

Finalmente, mediante el Decreto “Quam Singulari” (15 de Agosto, 1910), recomendó que la Primera Comunión en los niños no se demorara demasiado tiempo después de que alcanzaran la edad de la discreción. Fue por deseo suyo que el Congreso Eucarístico de 1905 se celebró en Roma, mientras que aumentó la solemnidad de los congresos Eucarísticos posteriores mediante el envío de cardenales legados. El quincuagésimo aniversario de la proclamación del dogma de la Inmaculada Concepción fue una ocasión que supo aprovechar para impulsar la devoción a María (Encíclica “Ad illum diem”, Febrero 2,1904); y el Congreso Mariano junto con la coronación de la imagen de la Inmaculada Concepción en el coro de la Basílica de San Pedro fueron una digna culminación de la solemnidad. Fuera como simple capellán, como obispo, y como patriarca, Giuseppe Sarto fue siempre un promotor de la música sacra; como Papa publicó, el 22 de Noviembre de 1903, un Motu Proprio sobre música sacra en las iglesias, y, al mismo tiempo, ordenó que el auténtico Canto Gregoriano se utilizara en todas partes, mientras dispuso que los libros de cantos se imprimieran con el tipo de fuente del Vaticano bajo la supervisión de una comisión especial.

En la EncíclicaAcerbo nimis” (Abril 15, 1905), planteó la necesidad de que la instrucción catequética no se limitara a los niños, sino que también fuera dirigida hacia los adultos, dando para ello reglas detalladas, especialmente en lo referente a escuelas adecuadas para la impartición de la instrucción religiosa a los estudiantes de escuelas públicas, y aun de universidades. Promovió la publicación de un nuevo catecismo para la Diócesis de Roma.