La leyenda lo hace nacer en la antigua ciudad dálmata de Salona (actual Solín), de noble familia romana, emparentada con Diocleciano. Es muy escaso lo que se sabe de cierto sobre él y su actuación al frente de la Iglesia; tan sólo que que fue consagrado obispo de Roma el 17 de diciembre del año 283 y que, desde entonces, se dispone de una relación históricamente fiable de las fechas de las ordenaciones sacerdotales en Roma, ya que en su pontificado adquieren completa estructura los órdenes inferiores a obispo.
Un año después de su elección, se hizo cargo Diocleciano de los destinos del Imperio, por lo que Cayo, que murió en el 296, compartió doce años de vida con el emperador cuya ferocidad persecutoria más se recuerda; sin embargo, los primeros años de Diocleciano no fueron difíciles para la Iglesia, y más bien el cristianismo era tolerado, e incluso visto con simpatía por algunos, como la hija o la esposa del Emperador. Recién en el 303 se desencadena la persecución abierta, por lo que es difícil situar la circunstancia de persecución a la que se refiere el elogio del Martirologio Romano.
Sus restos descansaron en el cementerio de san Calixto, pero en 1631 fueron trasladados a la que había sido su casa en Roma, según algunas tradiciones, transformada en iglesia; y en 1880, demolida esta iglesia para la construcción del Ministerio de Guerra, las reliquias fueron trasladadas a la capilla de la familia Barberini. La fecha de su sepultura el 22 de abril vienen fijados por el calendario El calendario filocaliano y el epitafio de san Cayo, descubierto en la catacumba de San Calixto en estado fragmentario.
Basado en Mathieu-Rosay («Los papas...», Rialp), en la noticia de Franco Prevato en Santi e beati, y en Butler-Guinea (1964). Ver Acta Sanctorum, abril, III; Duchesne, notas al Liber Pontificalis; De Rossi, Roma Sotterranea, vol. III, pp. 115, 120 y 263 ss.; G. Schneider, en Nuovo Bullettino di archeolog. crist., vol. XIII (1902), pp. 147-168.