W 1850 roku podjął studia w seminarium w Padwie. Dwa lata później zmarł jego ojciec i była obawa, że Józef będzie musiał przerwać studia, aby pomagać matce. Matka jednak zdecydowała się dorabiać krawiectwem, aby synowi nie przerywać studiów. Święcenia kapłańskie Józef otrzymał 18 września 1858 r.
Pierwszą placówką młodego kapłana była kapelania w Tombolo. Wyróżniał się tam jako doskonały kaznodzieja. Dlatego zapraszano go chętnie z kazaniami z różnych okazji. Potem był proboszczem w Salvano. Tu zajął się szczególnie katechizacją dzieci, uczeniem chóru śpiewu liturgicznego i biednymi. Był tak szczodry dla ubogich, że siostra częstokroć z płaczem skarżyła się mu, że nie ma co do garnka włożyć, a wstydzi się brać w sklepie na kredyt. Po 8 latach mianowany kanonikiem w Treviso. W roku 1975 biskup mianował ks. Józefa Sarto swoim kanclerzem. Po śmierci biskupa został wybrany na wikariusza kapitulnego diecezji (1882).
10 listopada 1884 r. papież Leon XIII mianował księdza Giuseppe Sarto biskupem Mantui. Najwięcej uwagi jako biskup zwracał na formację kapłanów w seminarium. Jako pierwszy wprowadził do seminariów studia biblijne, historię Kościoła i ekonomię społeczną.
W 1893 r. został kreowany kardynałem prezbiterem i otrzymał kościół tytularny San Bernardo alle Terme, a trzy dni później papież mianował go Patriarchą Wenecji.
Jako patriarcha Wenecji mawiał do swoich kapłanów: „Głosicie wiele dobrych kazań. Niektóre zdradzają ogień najcudowniejszej wymowy i przewyższają nawet aktorów gestami i grą twarzy. Ale bądźmy szczerzy. Co mają z tego nasi biedni rybacy? Ile z tego rozumieją służące, robotnicy portowi i tragarze? Można dostać zawrotu głowy od tych hamletycznych salw huraganowych, ale serce, bracia, serce pozostaje puste. Proszę was, bracia, mówcie prosto oraz zwyczajnie, żeby i najprostszy człowiek was zrozumiał. Mówcie z dobrego i pobożnego serca, wtedy traficie nie tylko do uszu, ale i do duszy waszych słuchaczy”.
Po śmierci Leona XIII w lipcu 1903 r. na jego następcę wybrano kardynała Giuseppe Sarto. Nowy papież przyjął imię Piusa X. Wszystko odnowić w Chrystusie to było hasło jego pontyfikatu.
Zaprowadził reformę kurii papieskiej i zmiany w procedurze konklawe. Rozpoczął reformę prawa kanonicznego, którą dokończył papież Benedykt XV, jego następca, wydaniem nowego Kodeksu Prawa Kanonicznego (1917). W 1905 r. ukazał się Katechizm Piusa X najpierw dla diecezji rzymskiej, potem dla całego Kościoła z instrukcją o nauczaniu dzieci prawd wiary.
Pius X wprowadził reformę muzyki kościelnej. Zreformował również brewiarz. Zniósł konieczność przystępowania do spowiedzi przed każdym przyjęciem Komunii świętej.
Bywa nazywany papieżem dzieci. Kochał je i pragnął, by jak najwcześniej spotkały się z Panem Jezusem, zanim szatan zajmie jego miejsce, dlatego obniżył też wiek dzieci mogących przyjąć Komunię świętą (w mniej więcej 7. roku życia).
Był zdecydowanym przeciwnikiem modernizmu – prądu, który obalał niemal wszystkie dogmaty. Od 1 września 1910 r. wszyscy kandydaci na duchownych musieli składać przysięgę antymodernistyczną. Generalnie popierał działalność ruchów katolickich, ale zawiesił działalność włoskiego Opera di Congressi i francuskiego Le Sillon Marca Sangiera, za angażowanie się w politykę i próbę połączenia katolicyzmu z ideałami lewicowymi.
W 1914 r. zapadł na choroby nerek i oskrzeli, a wydarzenia, które doprowadziły do I wojny światowej tylko pogorszyły jego stan. Zmarł w Rzymie w nocy 20 sierpnia 1914 r. Został pochowany w Bazylice św. Piotra. Jego ciało spoczywa w Kaplicy Ofiarowania NMP.
3 czerwca 1951 r. papież Pius XII dokonał uroczystej beatyfikacji sługi Bożego, a w trzy lata później ten sam papież dokonał jego uroczystej kanonizacji.
Św. Pius X uważany jest za „papieża eucharystycznego” i „pioniera ruchu liturgicznego”.
