Из Константинополя Григорий вернулся в конце 585 или начале 586 года и стал ближайшим помощником Папы Пелагия II. По-видимому, он принимал непосредственное участие в написании обширного послания Пелагия II «Virtutum mater charitas», адресованного Аквилейскому патриарху Илие и епископам Истрии, находившимся в схизме с Римом из-за непринятия решений V Вселенского Собора (Задворный, 1997, т. 2, с. 145–187).
3 сентября 590 года Григорий был избран на Апостольский Престол. И одной из важнейших задач, которая встала перед ним, была оборона Рима. В 568 году, согласно принятой большинством исследователей хронологии [Bertolini, 1969, p. 29–48], волна лангобардского нашествия перевалила через Альпы. Вскоре лангобарды основали в северной Италии Лангобардское королевство, в центральной Италии Сполетское герцогство, а на юге Италии – Беневентское герцогство, в результате чего кольцо их владений окружило Рим. Григорий I стал епископом Рима в то время, когда лангобарды завоевывали все новые италийские земли. Король Агилульф вел наступление в Северной Италии, с юга приближался к Риму Беневентский герцог Арехис I, а в центре Италии Сполетский герцог Ариульф, тесня границы Равеннского экзархата, также подступал и к Риму [Удальцова, 1959, с. 346]. Помимо принятия срочных мер по укреплению обороны, главным для Григория I было стремление урегулировать отношения с лангобардами дипломатическим путем, но заключению мирного договора всячески препятствовало византийское правительство, которое, однако, и не направляло достаточно войск для защиты своих италийских владений. Наоборот, экзарх Роман забрал большую часть гарнизона из Рима. Несколько раз Рим был окружен лангобардскими войсками, когда в городе не оставалось никакой власти, кроме понтифика: ни префекта, ни командующего войсками. Но и в таких обстоятельствах Григорий I не терял твердости духа и решительности, взяв на себя обязанности гражданской и военной власти. Он лично разрабатывал планы обороны Рима, отдавал приказания военачальникам. Когда в июле 592 года армия Ариульфа стояла под стенами Рима, Григорий решил сам начать переговоры о перемирии с лангобардами. Благодаря крупной сумме денег понтифику удалось заключить перемирие. Однако опасность была отведена ненадолго. Зимой 593–594 года Рим оказался в блокаде армии короля Агилульфа. У Григория I не было другого выхода, как начать переговоры о мире. «И вот [Агилульф] со всей мощью своего войска приступил к осаде города Рима, и там, на ступенях базилики Святого Петра, верховного апостола, встретился со святым Григорием. Будучи смирен его речами, а также восхищен величием мудрости и веры такого мужа, он снял осаду города» (Auctarii Hauniensis extrema, XVII). Безусловно, этот рассказ является реминисценцией широко известного эпизода из жития Папы Льва I, когда тот вышел навстречу вождю гуннов Аттиле и усмирил грозного варвара, убедив его отступить от Рима.
И только в конце понтификата Григория I восторжествовала проводимая им политика мирного сосуществования с лангобардами. По верному замечанию современного русского историка Олега Бородина, для Византии это означало признание status quo на Апеннинском полуострове, то есть того факта, что империя бессильна изгнать лангобардов из пределов Италии (Бородин, 2001, с. 110).