Al terminar el bachillerato inicia su formación religiosa en el Seminario de Astorga. Concluido el primer año de preparación y debido a la influencia de los escritos de Santo Tomás de Aquino y al neotomismo propio de la época, determina unirse a la Orden de Predicadores –o de Santo Domingo- en el convento coruñés de Padrón el 21 de junio de 1883. Para continuar su instrucción filológica y teológica se traslada al convento de Corias (Cangas del Narcea) y al de Caldas de Besaya, donde finalmente se ordena sacerdote en 1889. El paso siguiente en su carrera eclesiástica lo conduce a Valladolid, donde permanecerá dieciséis años, en el convento de San Pablo, dedicado a labores educativas y profesorales. Es nombrado Presidente de la Academia de Santo Tomás y Predicador General de la Orden.

Durante el cambio de siglo el gobierno de Perú recibe la respuesta afirmativa del papa León XIII respecto a la solicitud de instalar misiones evangelizadoras en la Selva, dos años después de haberse creado en la mencionada zona la Prefectura Apostólica de Santo Domingo de Madre de Dios. Dicha provincia se ubica en el espacio geográfico al oriente de los ríos Urubamba y Madre de Dios, que aún no había sido explorado completamente. Estos hechos van a  determinar fuertemente la vida religiosa e investigadora de José Pío Aza, que finalmente   se embarca en 1906 hacia el territorio peruano, tras obtener el permiso para formar parte de las misiones evangelizadoras. Desembarca en el puerto de El Callao (Lima), pasa por Cuzco, y en 1907 se adentra en la Selva llegando finalmente a la misión de Ccosñipata en el Alto Madre de Dios. Misionó en la selva amazónica “expuesto diariamente a peligros de muerte en aquellos frondosos bosques, sin caminos, sin ni siquiera senderos, moradas de tigres, de tremendas serpientes y encubiertas víboras, navegando por aquellos impetuosos ríos en rústicas canoas”; “siempre estudioso, llevando en el bolsillo una libreta y un lápiz para apuntar nombres y locuciones”; había llegado a la Amazonía ya con más de 40 años, y permaneció desde 1906 hasta su muerte en 1938. El maestro de la etnología moderna, Claude Lévy-Strauss, también realizó trabajo de campo entre 1935 y 1939 en la Amazonía brasileña.

Los dos años siguientes a su llegada, 1908-1910, son para Fray Aza y sus compañeros misioneros una etapa de exploración y conocimiento, no solo de la geografía de la Selva peruana, sino también de la población  indígena y emigrante; encuentro ciertamente muchas veces teñido de una cierta suspicacia y aún hostilidad. En el proceso evangelizador de las comunidades amazónicas Pío Aza es el mediador directo a pesar de la inicial resistencia de aquellos; además, está el trato y brega  con comerciantes y caucheros, que abusan con frecuencia de los indígenas para poder explotar sus recursos naturales. En este contexto, Aza abre la Casa Misión de San Luis del Manu, donde se encarga de la formación y bautizo de hijos de aborígenes y caucheros por igual.  Durante esta época inicia sus exploraciones por el río Manu, por la necesidad de hacer misión in situ, recorriendo territorios inexplorados y entrando en contacto con pobladores de lenguas piro, campa, chama, entre otras. Así da inicio a su importante aportación a la geografía, a la lingüística y a la etnografía de la Amazonía peruana, recopilando información topográfica y léxica de las lenguas aborígenes desde este primer viaje. Al año siguiente se embarca en otra travesía de similares características, ahora por el río Madre de Dios.

Desde 1910 a 1914, durante su estancia en la Misión de San Jacinto de Puerto Maldonado, y gracias a las expediciones realizadas por el citado río Madre de Dios, se encarga de registrar los asentamientos de tribus que están más cercanas a este, con lo que logra mejorar su estrategia de comunicación con los pobladores locales. Al mismo tiempo, gracias a los datos recopilados, le será posible embarcarse en más exploraciones por las cuencas de los ríos Piedras, Purús, Manuripe, Tahuamanu y Acre, territorios pertenecientes al Vicariato Apostólico de Puerto Maldonado. En estos viajes realiza su misión evangelizadora, bautiza a personas de las tribus huitoto, campa, piro y amahuaca, sin dejar de registrar todo el territorio explorado desde el punto de vista geográfico y lingüístico. Y persiste en su protección de los nativos amazónicos ante la explotación laboral, trata y correrías por parte de los caucheros, depredadores en declive, sobre los que pedía más control: el padre Pío se sintió siempre deudor del padre Las Casas y por eso se le ha denominado misionero lascasiano.

Al ser nombrado para el cargo de Vicario Provincial se ve obligado a dejar la Selva y a dirigirse la zona del Urubamba (Cuzco), donde en 1918 funda la Misión de San José de Koribeni, ubicada en la confluencia del río del mismo nombre con el Urubamba. En esta estancia es cuando su contribución filológica alcanza su apogeo. Entra en contacto prolongado con la etnia amazónica machiguenga, que significa “gente” y a quienes relacionó con los incas: el último inca llevó un nombre machiguenga que significa “gallina” y entre ellos se refugió Tupac Amaru. Realiza un estudio profundo de su lengua hasta llegar a dominarla plenamente y escribe su gramática y vocabulario. Al mismo tiempo, realiza estudios geográficos y demográficos de las actuales regiones de Cuzco y Madre de Dios, entre los que destacan sus informes de rutas, ríos, valles, población y lengua hablada. Estas observaciones son incluso solicitadas directamente por instituciones del gobierno peruano, y sirven no solo para la toma de decisiones en materia de ordenamiento del territorio, sino también para subsanar errores de descripción topográfica, resueltos gracias al conocimiento de primera mano adquirido por Aza. Su biógrafo Junquera Rubio afirma que la tarea cartográfica y geográfica de José Pío Aza fue notable. Todas estas investigaciones le valieron diversos honores por parte de la Municipalidad y de la Sociedad Geográfica de Lima. En su novela indigenista El hablador Vargas Llosa cita en tres ocasiones al Padre Pío y ejemplifica en los machiguengas el personaje del contador de historias y transmisor de la cultura oral. Aza sostuvo la hipótesis de la existencia de una civilización o imperio panamazónico derrotado y extinguido.

Ese mismo año se le encarga viajar a Lima para informar sobre las misiones en la Selva con motivo de la visita del Padre General de la Orden de Predicadores, Luis Theisling; en vista de la importancia e interés de sus noticias, se hace necesario ponerlas en letras de molde, por lo que la Orden inicia la publicación de la revista Misiones Dominicanas, donde Aza escribe artículos desde el primer número (1919) hasta el mismo año de su muerte. En este mismo periodo de residencia en Lima es cuando logra publicar su Vocabulario español-machiguenga (1923) y su Estudio sobre la lengua machiguenga (1924), mientras espera la llegada al país del nuevo vicario apostólico de la Orden; una vez que el Padre Savas Sarasola llega en 1924, Pío Aza consigue retornar a la misión de Koribeni.

El Vocabulario y el Estudio son producto del trabajo evangelizador y de campo del Padre Pío entre los indígenas amazónicos machiguengas en las misiones del Manu y San José de Koribeni. Investiga el vocabulario machiguenga partiendo del diálogo con los naturales de esta etnia. Su obra fija criterios lingüísticos mediante la comparación con el quechua y otras lenguas amazónicas, además de contribuir a la identidad machiguenga con su investigación  etnográfica. Por otro lado, y a raíz de este estudio, Aza debate y rebate las aportaciones de otros investigadores, como las del profesor de Harvard  William C. Farebee en su obra Indian tribes of Eastern Peru (1922): el dominico critica su falta de atención a la doble barrera lingüística y señala el poco tiempo invertido en su estudio. A modo de ejemplo, Pío Aza desglosa sus faltas en la conjugación y  el tiempo verbal y expone el descuidado método de englobamiento de Farebee al agrupar dicciones del vocabulario machiguenga que cuentan con expresiones independientes. Uno de los resultados más importantes de este primer acercamiento a una lengua amazónica es el posterior estudio de otras lenguas amazónicas, tanto en monografías como en artículos publicados en Misiones Dominicanas. Destacan los Vocabularios Español-Huarayo (1928), Español-Arasairi (1936) y la Doctrina Cristiana en Machiguenga y Español (1934).

Durante los años siguientes continúa su labor como misionero de a pie (no quiso ser obispo) en la Selva peruana, donde contraerá la malaria, que atacaba ferozmente a la población de la Amazonía desde la década de 1930. A pesar de su estado, le fue encargado viajar a España como representante de la Orden de Predicadores en el Capítulo Provincial, por lo que regresó a su país natal en mayo de 1934. En el mundo intelectual sólo Maeztu habló de él, aunque le mencionaba el volumen 1º del Apéndice de la Enciclopedia Espasa, de 1930. Se somete a una operación quirúrgica, regresando a Perú en febrero de 1935, pese al consejo de amigos y familiares. Los últimos cuatro años de su vida transcurren en la misión de Koribeni, falleciendo finalmente en Quillabamba el 7 de octubre de 1938 (a los 75 años de edad, 32 como misionero) mientras su patria originaria se desangraba en una guerra fratricida. La misma guerra y otras circunstancias adversas sumieron la personalidad del Padre Pío Aza y su notable obra, pues casi se le puede considerar como el descubridor de toda una cultura, en un desgraciado e injusto olvido que ahora parece haber llegado a su fin.