Святая Евфимия родилась в вифинском городе Халкидоне. Отец её, Филофрон, был сенатором, мать звали Феодорисианой.

В 303 или 304 году, в великое гонение при Диоклетиане, правитель города Приск велел собрать всех жителей на праздник в честь языческого бога Арея. Христианская община участвовать отказалась и служила тайно; за это её членов арестовали и привели к правителю. После долгих мучений христиан отправили на суд к императору, а юную Евфимию Приск оставил в городе — рассчитывал, что без поддержки своих она не выдержит. Сначала её пробовали купить: ласковыми словами, подарками, обещаниями.

Когда всё это она отвергла, начались истязания. Колесо с ножами, которое при вращении срезало куски тела, остановил явившийся Ангел, и раны её были исцелены. Когда её собирались бросить в огненную печь, воины Виктор и Сосфен увидели там двух Ангелов — и сами уверовали во Христа. Выпущенные на неё звери подходили и лизали ей ноги; только медведица нанесла небольшую рану. В эту минуту с неба раздался голос, звавший её, и святая предала дух Господу. Тотчас началось землетрясение: город качало, стены рушились, языческие храмы падали, и в ужасе все разбежались из цирка, оставив тело мученицы на земле.

Родители похоронили дочь в окрестностях Халкидона, позже над могилой построили храм. При императоре Феодосии Великом мощи переносили в Александрию и снова вернули в Халкидон. Их почитали как кровоточивые: историк Евагрий Схоластик описывает отверстие в гробнице с дверцей, через которое к останкам опускали железный прут с губкой и вынимали его с кровью.

Полтора столетия спустя святая стала свидетельницей в церковном споре. В 451 году в том самом халкидонском храме, где почивали её мощи, заседал IV Вселенский Собор — 630 представителей всех Поместных Церквей; спорили о том, одна ли природа во Христе или две. Согласия не было. Тогда патриарх Константинопольский Анатолий предложил отдать решение Духу Святому через саму Евфимию: обе стороны написали своё исповедание на отдельных свитках, запечатали их, гробницу открыли и оба свитка положили святой на грудь. Ковчег закрыли при императоре Маркиане, приложили императорскую печать и поставили стражу на три дня; всё это время обе стороны постились и молились. Когда гробницу открыли, православный свиток был в правой руке святой, а еретический лежал у её ног — и она, как живая, подняла руку и подала свиток патриарху. Многие из колебавшихся после этого приняли православное исповедание.

История её мощей на этом не кончилась. В VII веке, после нашествия персов, их перенесли из Халкидона в Константинополь, в новую церковь её имени. В иконоборчество император Лев Исавр велел бросить ковчег в море; его подняли братья-корабельщики Сергий и Сергон и передали местному епископу, а тот велел хранить мощи тайно, положив на ковчег доску с надписью. Только после VII Вселенского Собора 787 года, осудившего иконоборчество, святыню торжественно вернули в Константинополь. Великомучениц принято писать в длинном покрывале-мафории, с крестом в правой руке; святую Евфимию нередко изображают ещё и со свитком — в память о соборном чуде.