S-a născut în anul 284 la Nicomidia, părinții lui fiind Eustorgios, senator păgân, și Evula, care era creștină. Părinții l-au numit Pantoleon, care în traducere înseamnă „cel în toate puternic ca un leu”. Rămas de timpuriu fără mamă, copilul a fost încredințat spre educație unui medic cu renume, Eufrosin. Ajunge după puțină vreme la o cunoaștere desăvârșită a artei medicale într-atât, încât împăratul Maximilian, care îi remarcase calitățile, intenționa să îl ia la palat ca medic particular.

Tânărul face cunoștință cu preotul Ermolae, care îi vorbește despre credința creștină și despre adevăratul Doctor, care este Dumnezeu. Tânărul Pantoleon a început să îl viziteze cu regularitate și a fost inițiat de Ermolae  în tainele credinței.

Se zice că într-o zi, pe când se întorcea de la bătrânul său dascăl, găsi pe drum un copil, ce murise mușcat de o viperă. Pantoleon, vrând să probeze adevărul celor spuse de Ermolae, l-a chemat în ajutor pe Hristos și îndată copilul se ridică, iar vipera muri. În urma acestui caz, Pantoleon ceru de la Ermolae să primească Botezul, primind și numele Pantelimon.

După moartea tatălui, Sf.Pantelimon a eliberat toți sclavii, iar averea familiei a împărțit-o săracilor. Este denunțat de medicii din oraș care deveniseră invidioși. Din porunca împăratului Maximilian, tânărul medic Pantelimon este supus unor chinuri groaznice, după care este decapitat.

Potrivit tradiției, în timpul torturilor, prin minune, se vindeca de fiecare dată.

Trupul sfântului a fost ars, însă se spune că printr-o altă minune a lui Dumnezeu trupul lui a rămas neatins de foc.

Moaștele sale au fost cinstite de la bun început de creștini, fiind protejate în timpul prigoanelor. O parte din moaștele Sfântului Pantelimon se află în prezent pe Muntele Atos, în Grecia.