Будущий святой родился в городе Никомидия в семье знатного язычника Евсторгия и христианки Еввулы и был назван Пантолеоном.
Мать хотела воспитать сына в христианской вере, но умерла, когда Пантолеон был еще отроком. Отец же отдал его в языческую школу, окончив которую юноша начал учиться врачебному искусству у знаменитого в Никомидии врача Евфросина.
Однажды с Пантолеоном, ходившим всегда одной дорогой, познакомился святой Ермолай, который вместе с другими христианами тайно проживал в Никомидии.
Пресвитер позвал юношу в свой дом и рассказал о христианской вере, после чего Пантолеон стал посещать его каждый день.
Как-то раз юноша увидел на улице мертвого ребенка, укушенного ехидной, которая еще была рядом. Пантолеон начал молиться Иисусу Христу о воскрешении умершего и умерщвлении ядовитого гада. Он твердо решил, что в случае исполнения его молитвы крестится и станет последователем Христа. Ребенок ожил, а ехидна разлетелась на куски на глазах у Пантолеона.
После этого чуда Пантолеон был крещен святым Ермолаем с именем Пантелеимон (Всемилостивый).
После смерти отца святой Пантелеимон посвятил всю свою жизнь служению страждущим, больным и нищим. Он бесплатно лечил всех, кто к нему обращался, или кого он сам встречал на своем пути.
Завидуя святому, другие врачи донесли на него императору Максимиану. Правитель уговаривал юношу принести жертву идолам, но святой Пантелеимон исповедал себя христианином и на глазах императора исцелил расслабленного.
Максимиан казнил исцеленного, а святого Пантелеимона предал жесточайшим мукам. Святого целителя повесили на дереве и рвали железными когтями, обжигали свечами, растягивали на колесе, бросали в кипящее олово, бросали в море с камнем на шее, а потом еще и на растерзание диким зверям. Однако во всех истязаниях он оставался невредимым.
В итоге разъяренный Максимиан приказал отрубить святому Пантелеимону голову.
Когда мученику отсекли голову, из раны потекло молоко. Маслина, к которой был привязан святой, в момент его смерти покрылась плодами. Многие присутствующие при казни уверовали во Христа. Тело святого, брошенное в костер, осталось неповрежденным огнем и позже было похоронено христианами.