На вечернем голосовании 3 августа за кардинала Сарто было подано 35 голосов, а на следующий день утром он был избран, получив 50 голосов, то есть больше чем нужно было, чтобы иметь требуемых каноническим правом 2/3 общего числа голосов.
Как только он услышал, что он избран, он упал лицом на землю, моля Бога о помощи. По словам одного очевидца, "он выглядел как осуждённый на смертную казнь". Кардинал-декан сейчас же задал ему предписанный по чину избрания вопрос: "Соглашаетесь ли Вы на Ваше избрание на Верховное Первосвятительство, произведённое согласно каноническим правилам?" Патриарх ответил: "Если чаша сия не может быть пронесена мимо меня, то да свершится воля Божия". Но такой ответ не был признан достаточно утвердительным, а потому кардинал-декан повторил свой вопрос. "Да, я согласен", - ответил, наконец, кардинал Сарто. Тогда, по древнему конклавному обычаю, опустились вниз все балдахины, поднятые над креслами всех выборщиков, кроме балдахина над креслом избранного. Затем кардинал-декан спросил у него, какое имя он желает носить. Новоизбранный папа ответил: "В память всех святых первосвятителей, молитвенное заступничество которых мне так необходимо и которые в прошлом веке мужественно претерпели всякие преследования против Церкви, я буду носить имя Пия". Так Венецианский патриарх стал Пием X.
Сразу же после своего избрания он заявил, что его деятельность, как видимого главы Вселенской Церкви, будет направлена, главным образом, на защиту свободы Церкви и чистоты Христова учения.