Родился в Никомедии в семье знатного язычника и получил имя Пантолеон. Его мать Еввула была христианкой и воспитывала сына в своей вере, но умерла, когда Пантолеон был в отроческом возрасте. Его отец отдал сына в языческую школу, а затем поручил знаменитому врачу Евфросину для изучения Пантолеоном врачебного искусства. Вскоре о нём услышал римский император Максимиан, пожелавший видеть Пантелеимона при своём дворе.
Став безвозмездным врачом, Пантелеимон лишил многих врачей доходов, и на него поступил донос императору Максимиану, что Пантелеимон посещает в тюрьме христиан и лечит их именем Христа. Император призвал Пантелеимона и просил опровергнуть донос. Святой предложил императору призвать одного неизлечимого больного и устроить испытание. Кто исцелит его: он или языческие жрецы — вера того и должна быть истинною. Согласно житию, языческие жрецы не смогли исцелить больного, а Пантелеимон силой молитвы даровал расслабленному исцеление. После этого многие уверовали во Христа, а Максимиан ожесточился на Пантелеимона и приказал истязать его, а затем бросить тяжелым камнем в море. Но Пантелеймон остался невредим, тогда его подвергли новым мучениям: повесили на дереве, жгли свечами, потом рвали железными когтями, колесовали, бросали в кипящее олово, пытались утопить в море. Дикие звери, которым он был брошен на растерзание, лизали ему ноги.
После всех истязаний Пантелеимона приговорили к усекновению головы. Его привязали к масличному дереву и хотели отрубить голову, но святой стал молиться, и меч не причинил ему вреда. Во время молитвы голос с небес призвал Пантелеимона в Царствие Небесное и святой попросил воинов исполнить данный им приказ. Согласно житию, когда ему отрубили голову, то из раны потекло вместо крови молоко, а маслина тут же покрылась плодами. Брошенное в костер тело великомученика не сгорело и было погребено христианами.
Глава Пантелеимона хранится в Пантелеимоновом монастыре на Афоне. Частицы мощей святого находятся во многих городах России. В Православной церкви св. Пантелеимон почитается как покровитель воинов (его языческое имя Пантолеон переводится как «лев во всём»), а также как целитель, что связано с его вторым, христианским, именем Пантелеимон — «всемилостивый».
На православных иконах представлен юношей в одеянии, традиционном для изображения целителей — синем хитоне с золотыми нарукавниками, синей рубашке с золотым оплечьем и коричневом плаще, собранном на груди. На левом плече узкая белая лента, подобная диаконскому орарю. В правой руке мученический крест, в левой — коробочка для лекарств, по форме напоминающие чудотворные реликвии.