Nato a Desio nella casa che attualmente è sede del Museo Casa Natale Pio XI e del "Centro Internazionale di Studi e Documentazione Pio XI" (al civico 4 di via Pio XI, all'epoca via Lampugnani). Quarto di cinque figli, viene battezzato il giorno dopo la nascita, nella prepositurale dei Santi Siro e Materno con il nome di Achille Ambrogio Damiano Ratti (il nome Ambrogio in onore del nonno paterno, suo padrino di battesimo).
Ratti fu uomo di vasta erudizione, ottenne infatti tre lauree nei suoi anni di studio romani: in filosofia alla Pontificia accademia di San Tommaso d'Aquino di Roma, in diritto canonico alla Università Gregoriana e teologia all'Università La Sapienza. Aveva inoltre una forte passione sia per gli studi letterari, dove preferiva Dante e Manzoni, sia per gli studi scientifici, tanto che era stato in dubbio se intraprendere lo studio della matematica; a tal proposito fu grande amico e, per un certo periodo, collaboratore di don Giuseppe Mercalli, noto geologo e creatore dell'omonima scala dei terremoti, che aveva conosciuto come insegnante nel seminario di Milano.
La profonda competenza negli studi portò Ratti all'attenzione di papa Leone XIII. Nel 1891 fu così invitato a partecipare ad alcune missioni diplomatiche di Monsignor Giacomo Radini-Tedeschi in Austria e in Francia, e probabilmente ciò avvenne su segnalazione dello stesso Radini-Tedeschi, il quale aveva studiato con Ratti presso il Pontificio Seminario Lombardo di Roma.
Ebbe nel frattempo incarichi di insegnamento presso il seminario di Milano e nel 1888 entrò a far parte del collegio dei dottori della Biblioteca Ambrosiana, per diventarne Prefetto nel 1907. Chiamato da Pio X a Roma, è dapprima, nel 1912, Vice-prefetto, e successivamente, nel 1914, Prefetto della Biblioteca Vaticana.
Nel 1918 papa Benedetto XV lo nominò visitatore apostolico per la Polonia e la Lituania e successivamente, nel 1919, nunzio apostolico (cioè rappresentante diplomatico presso la Polonia) e fu elevato al rango di arcivescovo con il titolo in partibus infidelium di Lepanto. Fu il primo nunzio apostolico nella Seconda Repubblica Polacca.
Nel 1921 Achille Ratti venne nominato arcivescovo di Milano, divenendo cardinale nel concistoro del 13 giugno.
Fu eletto papa il 6 febbraio 1922 alla quattordicesima votazione.
La sua prima enciclica Ubi arcano Dei consilio, del 23 dicembre 1922, manifestò il programma del suo pontificato, peraltro ben riassunto nel suo motto "Pax Christi in regno Christi", la pace di Cristo nel Regno di Cristo. Detto altrimenti, a fronte della tendenza a ridurre la fede a questione privata, papa Pio XI pensava invece che i cattolici dovessero operare per creare una società totalmente cristiana, nella quale Cristo regnasse su ogni aspetto della vita. Egli intendeva dunque costruire una nuova cristianità che, rinunciando alle forme istituzionali dell'Ancien Régime, si sforzasse di muoversi nel seno della società contemporanea. Nuova cristianità che soltanto la Chiesa cattolica costituita da Dio e interprete delle verità rivelate era in grado di promuovere.
Questo programma fu completato dalle encicliche, Quas primas (11 dicembre 1925), con la quale fu pure istituita la festa di Cristo Re e Miserentissimus Redemptor (8 maggio 1928), sul culto del Sacro Cuore.
Pio XI procedette a numerose beatificazioni, e canonizzazioni, (per un totale di 496 beati e 33 santi), fra le quali quelle di Bernadette Soubirous, Giovanni Bosco, Teresa di Lisieux, Giovanni Maria Vianney e Antonio Maria Gianelli. Egli nominò pure quattro nuovi dottori della Chiesa: Pietro Canisio, Giovanni della Croce, Roberto Bellarmino e Alberto Magno. In particolare procedette alla beatificazione di 191 martiri, vittime della Rivoluzione francese.
Nel febbraio 1939 Pio XI convocò a Roma tutto l'episcopato italiano in occasione del I decennale della "conciliazione" con lo Stato Italiano, del XVII anno del suo pontificato e il 40° anno del suo sacerdozio. Nei giorni 11 e 12 febbraio egli avrebbe pronunciato un importante discorso, preparato da mesi, che sarebbe stato il suo testamento spirituale e dove, probabilmente, avrebbe denunciato la violazione dei Patti Lateranensi da parte del governo fascista e le persecuzioni razziali in Germania. Tale discorso è rimasto segreto fino al pontificato di papa Giovanni XXIII quando nel 1959 vennero pubblicate alcune parti. Egli infatti morì per un attacco cardiaco dopo una lunga malattia, nella notte del 10 febbraio 1939. È ormai assodato che il testo dell'enciclica fu fatto distruggere per ordine di Pacelli, al tempo Cardinal Segretario di Stato che auspicava di intraprendere nuove e più pacate relazioni con la Germania e l'Italia.