1886-90-ben a debreceni Református Teológián, 1892-93 között a berlini, 1893-94 között a budapesti egyetemen tanult, ahol 1895-ben bölcsészdoktori oklevelet szerzett. 1890-91-ben Debrecenben volt gimnáziumi segédtanár, 1891-92 között a református kollégium seniora. Egyetemi tanulmányai befejezése után 1894-95 között Budapesten az Országos Széchényi Könyvtár gyakornokaként kezdett dolgozni, majd 1895-1906 között az Egyetemi Könyvtár könyvtártisztje lett.
1902-től bekapcsolódott az egyetemi oktatásba: a budapesti egyetemen a magyar irodalom története 1525-1772 című tárgykör magántanára, 1906-tól a kolozsvári egyetemen a magyar irodalomtörténet nyilvános rendes tanára, 1913-14-ben a bölcsészet-, nyelv-és történettudományi kar dékánja. Az összeomlás után, 1919 és 1921 között a Budapestre menekült egyetem tanáraként oktatott. 1921-től 1932-ig a Szegedre telepített egyetemen magyar irodalomtörténet nyilvános rendes tanára, illetve a bölcsészet-, nyelv- és történettudományi kar dékánja. 1921-22-ben és 1928-29-ben az egyetem rektorságával is megbízták.
Főként a 16-17. századi magyar irodalomtörténet, pályája első felében a kor művelődéstörténetével foglalkozott. Szövegkritikai és szövegkiadói munkássága is jelentős. 1904-18 között a Magyar Történeti Életrajzok, 1904-16 között a Magyar Irodalomtörténeti Értekezések (1-12. füzet), 1924-ben a Magyar Bibliofil Szemle, valamint az Irodalomtörténeti Könyvtár (1-2. füzet) szerkesztésében vett részt. Kortársai szerint a tudományt önzetlenül szolgálta, feltűnés nélkül munkálkodott. Személyét párhuzamba állították Toldy Ferenccel. Módszerét maga alakította ki a bibliográfia és a klasszika-filológia eljárásának a kombinálásából. A régi magyar irodalom történetének kiadását nem érte meg.
A Magyar Tudományos Akadémia 1906. március 23-án levelező, 1923. május 11-én rendes tagjává választotta. Akadémiai székfoglalói a régi magyar irodalom fontos kérdéseit tárták a nagyközönség elé. (1906. december 3.: Széphistóriák a XVI. és XVII. századból.; 1924. november 10.: Balassa Bálint költészete.) Munkásságának köszönhetően a Magyar Irodalomtörténeti Társaság egyik alelnöki tisztségét is betöltötte.
Fő művei: Bogáti Fazekas Miklós élete és költői működése. Bp., 1895.; Szenczi Molnár Albert. Bp., 1897.; Szenczi Molnár Albert naplója, levelezése és irományai. Jegyzetekkel ellátta, kiadta. Bp., 1899.; Magyar író és könyvnyomtató a XVII. században. (Misztótfalusi Kis Miklós és Pápai Páriz Ferenc.) Bp., 1899.; Bevezetés az irodalomtörténetbe. Bp., 1903.; A magyar irodalomtörténeti kutatás feladatairól. Bp., 1904.; Balassa és Rimay istenes énekeinek bibliographiája. Bp., 1905., Adalékok a magyarországi nyomtatványok bibliographiájához. Bp., 1906.; Tinódi széphistóriája Jasonról. Akadémiai Értesítő, 1907.; Arany János magyar irodalomtörténete. Kiadás. Bp., 1908.; Tinódi Sebestyén. Bp., 1912.; A Lugossy-kódex és kiadatlan versei. Bp., 1916.; A Lipcsei-kódex és kiadatlan versei. Bp., 1916.; Báró Jósika Miklós. Bp., 1916.; Balassa Bálint minden munkái. Kiadás, bevezetés. Bp. 1924.; Gróf Apponyi Sándor pályája. Bp., 1926.; Erdélyi arcképek és képek. Kolozsvár, 1926.; Verses görög regények és regék a régi magyar irodalomban. Szeged, 1926.; Apponyi: Hungarica. Ungarn betreffende im Auslande gedruckte Bücher und Flugschriften. IV. Kiadás. München, 1927.; Magyar történeti tárgyú szépirodalom. Bp., 1927.; reprint kiadás 1987.; A gróf Vigyázó-alapítvány és a tudománypolitika. Szeged, 1928.; A XVI. századbeli magyar költők művei. Kiadás. Bp., 1929.; Magyar irodalmi hatás Shakespeare költészetében. Bp., 1929.; Világirodalmi lexikon. I-III. Szerk. Bp., 1930-33.; Dézsi Lajos kiadatlan kiegészítései In: Sztripszky Hiador: Adalékok Szabó Károly Régi Magyar Könyvtár c. munkájának 1-2. kötetéhez. Pótlások és igazítások 1472-1711. Bp., 1967.; Régi könyveink és kézirataink katalógusai. Dézsi Lajos kézirathagyatéka. Összeáll.: Monok István. Szeged, 1989.
Róla szóló irodalom: Alszeghy Zsolt: Dézsi Lajos tudományos pályája. Irodalomtörténet, 1927.; Császár Elemér: Dézsi Lajos. Századok, 1932.; Lengyel András: Dézsi Lajos. Könyvtáros, 1978.; Lengyel András: Dézsi Lajos, Kner Imre és a Magyar Bibliofil Szemle. A Móra Ferenc Múzeum Évkönyve, 1986.; Klukovitsné Paróczy Katalin-Rácz Béláné-Iványi-Szabó Éva: Dézsi Lajos szakirodalmi munkássága. Szeged, 1993.
