רוב המידע בדבר ראשית חייו של אווג'ניו פאצ'לי מגיע מביוגרפיה מקיפה שכתבה הנזירה מרגריטה מרקיונה. בגיל 12 הודיע פאצ'לי הצעיר כי בכוונתו לפנות לכמורה ולא לעריכת דין, כמצופה. לאחר סיום בית ספר יסודי-ממשלתי, התקבל פאצ'לי לבית ספר תיכון - בית ספר ללימודים קלאסיים במכון ויסקונטי. בשנת 1894, בגיל 18, הוא נכנס לסמינר אלמו קפראניקה כדי להתחיל את לימודי הכמורה, וכן נרשם לאוניברסיטה האפיפיורית הגרגוריאנית ולמכון אפולינארה של האוניברסיטה הלטרנית. הוא קיבל אישור מיוחד ללמוד מביתו, בשל בעיות רפואיות. בין השנים 1895 ו-1896 למד פילוסופיה באוניברסיטת לה ספיאנצה ברומא. בשנת 1889 קיבל תואר בתאולוגיה וב-utroque jure (משפט קנוני ואזרחי).
פאצ'לי הוסמך לכמורה ביום ראשון של הפסחא - 2 באפריל 1899, וחגג את המיסה הראשונה שלו בבזיליקה של מריה הקדושה שברומא. עם בגרותו סיים את האוניברסיטה האפיפיורית הגרגוריאנית. לפני בחירתו לאפיפיור, שימש פאצ'לי כנונציו (נציג דיפלומטי של האפיפיור) וכן כמזכיר המדינה של הוותיקן בתפקידים שונים; בעיסוקו זה פעל לכריתת קונקורדאטים בין מדינות אירופה השונות לבין הכס הקדוש, כשהמוכרת והשנויה במחלוקת מכולן היא קונקורדט הרייך - הסכם בין הוותיקן לבין גרמניה הנאצית שנועד להבטיח את מעמדה של הכנסייה.
ב-1936 ערך ביקור בן חודש בארצות הברית, בסיומו נפגש עם נשיא ארצות הברית פרנקלין דלאנו רוזוולט, בתיווכו של ג'וזף קנדי. היה זה ביקורו הראשון של נציג אפיפיורי רשמי על אדמת ארצות הברית, אף שלא התקיימו יחסים דיפלומטיים בין שתי הישויות.
מזכיר מדינת הוותיקן ואוֹצֵר הכנסייה.
ב-7 בפברואר 1930, פיוס ה-11 מינה אותו למשרת הקרדינל מזכיר המדינה, אחראי על מדיניות החוץ ויחסי החוץ של הכס הקדוש.
ב-1935 מונה כאוֹצֵר הכנסייה הקתולית
בחירה והכתרה.
האפיפיור הקודם, פיוס האחד עשר נפטר ב-10 בפברואר 1939. מספר היסטוריונים טוענים כי שתי דרכי פעולה שונות עמדו בפני הקונקלווה: בחירה במועמד "רוחני", ספיריטואלי, או בחירה בכזה המנוסה בדיפלומטיה, שיהיה אהוד על הציבור; והם הציגו את הקריירה הדיפלומטית של פאצ'לי, כאחד מהגורמים המשפיעים לבחירתו ב-2 במרץ 1939. היה זה ביום הולדתו ה-63 של פאצ'לי, לאחר יום אחד בלבד של התייעצויות, ושלוש הצבעות. פאצ'לי בחר את השם "פיוס השנים עשר" (Pius XII), שם שנמצא בשימוש באופן בלעדי בקרב אפיפיורים איטלקים.
פיוס הוא מזכיר המדינה הראשון של הוותיקן שנבחר לתפקיד האפיפיור מאז בחירתו של קלמנס התשיעי בשנת 1667.
פעולותיו בעת מלחמת העולם השנייה.
לאחר בחירתו לתפקיד במרץ 1939 הלינה התקשורת הנאצית על "עוינות מוטה וחוסר הבנה חשוך מרפא" בבחירתו של פאצ'לי לתפקיד האפיפיור. בבוקר שלאחר בחירתו דיווח עיתון בברלין: "בחירתו של הקרדינל פאצ'לי לא התקבלה בעין טובה בגרמניה היות שהוא התנגד תמיד לנאציזם ולמעשה קבע את מדיניות הוותיקן במהלך כהונתו של קודמו...". ה-Das Schwarze Korps, כתב העת הרשמי של האס אס, קבע כי "כנונציו וכמזכיר המדינה, אווג'ניו פאצ'לי גילה הבנה מועטה כלפינו; אין לנו אמונה רבה בו. איננו סבורים שבתור "פיוס השנים עשר" הוא ילך בדרך שונה."
ב-20 באוקטובר 1939 פרסם פיוס ה-12 אנציקליקה בשם Summi Pontificatus שכותרתה המשנית "אחדות החברה האנושית" ובה גינה את הגזענות, וטען כי כל העמים בעולם הם צאצאי האדם הראשון. כמו כן, גינה את האידאולוגיה הטוטליטרית והביע דאגה לגורלה של פולין הכבושה. השגריר הגרמני בוותיקן הודיע כי מדינתו רואה באיגרת זו התקפה נגד הרייך השלישי.
עם התרחבות מלחמת העולם השנייה האפיפיור פיוס ה-12 חשש למעמד הכנסייה הקתולית לנוכח רדיפות הנאצים את הכנסייה במקומות שונים תחת שליטתם. הוא העדיף לפעול באופן חשאי ולא פומבי למען היהודים. כמרים ונזירים החביאו יהודים רבים בכנסיות בהם מצאו מקלט. על פי הערכות שונות הוחבאו בכנסיות ובמנזרים כ-4,500 יהודים, מתוכם כ-400 בקריית הוותיקן.
בשידור רדיו לחג המולד של 1942 התייחס פיוס ה-12 לאסון הנורא של הנספים החפים מפשע, הנרצחים רק בשל לאום או גזע.
לקראת סוף המלחמה, ב-25 ביוני 1944, שיגר האפיפיור מברק אישי לשליט הונגריה מיקלוש הורטי בניסיון להציל את יהודי הונגריה וזה לשונו: "נתבקשנו מטעם כמה גורמים להתערב כדי להבטיח שהסבל שסבלו זמן כה רב בני אדם אומללים רבים החיים בחיק האומה האצילה והאבירית [שלך] מחמת השתייכותם הלאומית או הגזעית, לא יוארך ולא יוחמר. לבנו האבהי, הפועל מתוך אהבה לכל בני האדם, אינו יכול להישאר אדיש נוכח הבקשות הדחופות הללו. לכן פונה אני להוד מעלתך ופונה לרגשותיך הנאצלים, בתקווה שהוד מעלתך יעשה כל שבסמכותך כדי למנוע עוד סבל מבני אדם אומללים כה רבים". פנייתו של האפיפיור, לצד פעולתם של גורמים נוספים, הועילה במידה מסוימת, היות שפעולות ההשמדה של היהודים בהונגריה אכן פסקו לאחר שב-7 ביולי הורה הורטי על הפסקת משלוחי היהודים לאושוויץ. עם זאת, מדובר בשלב מאוחר ביותר של תהליך ההשמדה, לאחר שרק חלק קטן מיהודי הונגריה עוד נותר בחיים, בעיקר בבודפשט.
בשלבים מוקדמים של המלחמה, פנו אישים שונים ומנהיגים יהודים מכל רחבי העולם החופשי אל האפיפיור וביקשו ממנו להכריז הכרזה פומבית בגנות הרדיפות האנטי-אנושיות כנגד היהודים, אך האפיפיור לא היה מוכן לכך. בראשית 1943, כאשר כבר רבו הידיעות על אשר מתרחש באירופה, קיבל נציג הוותיקן בוושינגטון דו"ח המפרט באופן רשמי את הנעשה ביהודי אירופה. בדברי תשובתו לשגריר ארצות הברית בוותיקן, מירון טיילור, כותב נציג הוותיקן: "אני מאמין שהדו"ח מזויף. אך אודיע להוד מעלתו הקרדינל" (תאריך המכתב 7.3.43). כאשר פנו ארגונים יהודיים לוותיקן בתחילת 1944 ובקשו מהאפיפיור שיורה לנשיא סלובקיה הפרו-נאצי, הכומר ד"ר יוזף טיסו, שלא יענה לתביעות הנאצים ויגרש את יהודי ארצו למזרח משום שמשמעות הגירוש היא השמדה במשרפות פולין, כתב להם האפיפיור בדברי תשובתו כי "נשיא הרפובליקה הכומר ד"ר טיסו הבטיח שלא תהיינה רדיפות. התושבים רק ירוכזו ויישלחו לארץ אחרת".
שגריר בריטניה לוותיקן דיווח ב-26 בינואר 1944 כי "החשמן שר החוץ זימן אותי אליו היום כדי לומר לי שהאפיפיור מקווה שלא יימצאו חיילים כהי-עור בקרב המספר המועט של גייסות שאולי יחנו ברומא כחיל מצב אחרי כיבושה. הוא הזדרז והוסיף שהכס הקדוש אינו מכיר במחסום הצבע, אבל עזה תקוותו שיהיה אפשר למלא אחר הבקשה."
טענות רבות הופנו נגד האפיפיור גם לאחר תקופת המלחמה בנושא יחסו לסוגיית יתומי השואה, אותם ילדים יהודים שהתחבאו מפני הנאצים בכנסיות ומנזרים בזמן המלחמה ושהוריהם לא נותרו בחיים.
לאחר השואה ביקש רבה הראשי של ישראל, הרב יצחק אייזיק הלוי הרצוג, כי יפרסם הודעה רשמית ופומבית כלפי כל הממסדים הדתיים ומנזרים קתולים על מנת שיקלו את עבודת החיפוש של ארגונים יהודים אחר יתומי השואה שהוחבאו בתוכם. אכן, פיוס ה-12 ביקש לא להטביל ילדים אלו, אבל הוא סירב להחזיר למשפחתם את אלה שכבר הוטבלו. עמדה זו ביטא למשל במקרה של האחים פינאלי שהוחזרו לדודתם המחפשת אותם רק אחר לחצים רבים של ארגונים יהודים בצרפת על הכנסייה הקתולית. בנוסף לכך, בזמן שהאיום כלפי הוותיקן נעלם לגמרי, אינטלקטואלים קתולים הופתעו שהאפיפיור לא הסביר למאמיניו את אופיו הייחודי של רצח שישה מיליון יהודים בתוך נוראות המלחמה. אינטלקטואלים אלה קיבלו תשובה לפיה: יבוא זמן ויתגלה בבירור גודלו של פיוס ה-12 בפעולתו כמושיע יהודים.
דרכי תגובתו של האפיפיור לשואה שנויות במחלוקות בדיון הציבורי. הסופר והמחזאי הגרמני רולף הוכהוט מתח עליו ב-1963 ביקורת במחזהו הנודע "ממלא המקום", כמי שבחר לשתוק לנוכח השואה. בעקבות המחזה החל דיון נרחב על תפקודו של פיוס השנים עשר לנוכח השואה, דיון הנמשך עד היום. שלוש אסכולות יש בדיון זה: אחת טוענת להיותו שווה-נפש לנוכח עליית הנאציזם ורצח היהודים, אסכולה שנייה טוענת שהמעט שעשה היה המקסימום בתנאים של אז ושהיה צורך לדאוג גם לשלום הכנסיות הנוצריות שחיו תחת הכיבוש הנאצי, ואסכולה שלישית טוענת שפעל רבות להצלת יהודים, ושפתח להם את הכנסיות והמנזרים.
ב-1999 מינה הוותיקן ועדה היסטורית בינלאומית, קתולית - יהודית, בת שישה חברים, שלושה יהודים ושלושה קתולים, לחקירת מעשיו, לקראת ולצורך הפיכתו לקדוש. אחד משלושת החברים היהודים בוועדה היה פרופסור (האוניברסיטה העברית בירושלים) רוברט ויסטריך. ב-2 בספטמבר 2000, בטרם פרסמה הוועדה דו"ח כלשהו, הכריז עליו האפיפיור המכהן, יוחנן פאולוס השני, כמבורך, שלב מתקדם ביותר בדרך להקדשה. כחודש לאחר ההכרזה פרסמה הוועדה דו"ח ביניים, שכלל בעיקר שאלות ותהיות ולא מסקנות בעניין הנדון וב-2001 היא פיזרה את עצמה. חלק מחבריה טענו אז, שהתפטרותה נובעת מהעובדה שהוותיקן איפשר לה לבחון רק מסמכים מסוימים שאושרו על ידיו ולא את כל המסמכים והארכיונים שלו מתקופת השואה, כפי שביקשה.
בשנת 2019 הורה האפיפיור פרנציסקוס לפתוח את ארכיוני הוותיקן מתקופת השואה כדי לאפשר להיסטוריונים מחקר על יחסו של פיוס לשואת יהדות אירופה. הארכיון נפתח בשנת 2020 לתקופה קצרה ונסגר לאלתר בשל התפרצות נגיף הקורונה בקריית הוותיקן. עם זאת חוקרים טוענים שהמידע שנחשף מגלה כי לפיוס היה ידע רחב על שואת יהדות אירופה והוא נחשף כבר בשנת 1942 לדוחות שהציגו מידע ישיר על השמדת יהודים.
ביוני 2022, על פי רצונו של האפיפיור פרנציסקוס, הארכיון ההסטורי של מזכירות המדינה מנגיש באופן מקוון וחופשי את האוסף המכונה ״יהודים״ המכיל את כל בקשות העזרה שהגיעו לוותיקן המהלך מלחמת העולם השנייה, תקופת כהונתו של האפיפיור פיוס ה-12.
עם מותו.