Ordenat de sacerdot a Roma, ocupà diversos càrrecs a la cúria romana (1899); nunci a Munic (1919) i a Berlín (1920), succeí Gasparri en la secretaria d’Estat. La primera part del seu pontificat fou marcada per la Segona Guerra Mundial: no aconseguí de frenar-la (agost del 1939) ni evitar que hi entrés Itàlia (1940), ni que Roma fos considerada ciutat oberta per estalviar-ne el bombardeig; es dedicà, doncs, a les accions humanitàries d’atenció als empresonats, de salvació de jueus —sense una condemnació oberta de la persecució racista, cosa que donà lloc a una polèmica vigent després de la seva mort— i de salvaguarda dels represaliats polítics.
Acabada la guerra, creava ensems una Oficina d’informació per a presoners i refugiats i una Comissió pontifícia d’Assistència, dedicava especial atenció a les esglésies de l’Est europeu, en precària situació, i, alhora que encoratjava les formacions democratacristianes europees, condemnava el comunisme i tota possible col·laboració dels cristians amb ell. S'accentuà d’altra banda el centralisme entorn de la seva persona quan, en morir Maglione (1944), assumí ell mateix la secretaria d’Estat, centralisme que enfortí la cúria romana.
Promogué l’evangelització missionera, sobretot a l’Àfrica, la difusió dels moviments especialitzats d’Acció Catòlica —congressos d’Apostolat Laical (Roma, 1951 i 1957)— i la vitalització de la vida interna de l’Església amb la reforma litúrgica de la setmana santa, del dejuni eucarístic, etc., i la promoció de la religiositat popular —Anys sants (1950-54)—. Del seu abundant magisteri es destaquen sobretot Mystici Corporis (1943), sobre l’Església, Divino Afflante Spiritu (1943), sobre la Sagrada Escriptura, Provida mater Ecclesia (1947), sobre els instituts seculars, Mediator Dei (1947), sobre la litúrgia en la vida de l’Església, Sacramentum ordinis (1948) i Menti nostrae (1950), sobre el sacerdoci ministerial, Humani generis (1950), sobre la teologia i el relativisme dogmàtic; finalment, després d’una consulta per escrit a tot l’episcopat, proclamà el dogma de l’Assumpció de Maria (1950). L'any 2019 el papa Francesc autoritzà l'obertura dels arxius relatius al pontificat de Pius XII, que es feu efectiva al febrer de 2020.