Родился он в Никомидии, в Вифинии, в семье знатного язычника Евсторгия, и назвали его Пантолеоном — «по всему лев»: родители хотели видеть сына мужественным. Мать, святая Еввула, воспитывала мальчика в христианской вере, но рано умерла. Отец отдал его сперва в языческую школу, а потом на обучение врачебному делу к знаменитому в Никомидии врачу Евфросину.

Юноша был красноречив, хорош собой и отличался добрым поведением; его представили императору Максимиану, правившему в 284–305 годах, и тот хотел оставить его придворным врачом. В это же время в городе тайно жил пресвитер Ермолай. Из окна своего домика он не раз видел проходившего мимо юношу, а однажды позвал его к себе и рассказал о христианской вере. С тех пор Пантолеон заходил к нему каждый день.

Однажды, возвращаясь от учителя, он увидел на дороге мёртвого ребёнка, укушенного ехидной. Юноша стал просить Господа воскресить умершего, положив себе: если молитва исполнится — он примет Крещение. Ребёнок ожил. После этого святой Ермолай крестил его, и семь дней новокрещёный провёл у своего учителя.

Отца он приводил к вере постепенно, разговорами. Помогло чудо: к молодому врачу привели слепого, которому никто не мог помочь, — и слепой прозрел, а вместе с ним прозрел духовно и Евсторгий, принявший Крещение. После смерти отца святой посвятил жизнь больным, нищим и узникам: лечил безвозмездно, ходил в темницы и исцелял не столько лекарствами, сколько призыванием имени Христа. Это вызвало зависть, и другие врачи донесли на него императору.

Максимиан уговаривал его отказаться от веры. Вместо ответа святой на глазах у императора исцелил расслабленного. Его предали жестоким мучениям, во всех он остался невредим и обличал императора. Наконец его приговорили к усечению мечом. Житие рассказывает, что меч стал мягким, как воск, и не нанёс раны, а с неба прозвучал Голос, давший ему новое имя — Пантелеимон, «многомилостивый», за милосердие и сострадание. Воины со слезами просили прощения и отказывались продолжать, но святой сам велел исполнить приказ. Когда казнь совершилась, из раны вместе с кровью истекло молоко, а маслина, к которой он был привязан, зацвела.

Мощи великомученика частицами разошлись по всему христианскому миру, особенно много их на Афоне; честная глава хранится в Русском Свято-Пантелеимоновом монастыре. Имя святого призывается при Таинстве Елеосвящения, при освящении воды и в молитве о немощном. На Руси его почитают с XII века. Память совершается 9 августа.

Изображают великомученика юношей, с ларцом лекарств и ложечкой в руке — по этим предметам образ и узнают.