Ο Άγιος Παντελεήμων γεννήθηκε και μεγάλωσε στη Νικομήδεια της Μικράς Ασίας και έζησε στα χρόνια του Μαξιμιανού. Τον πατέρα του τον έλεγαν Ευστόργιος και ήταν ειδωλολάρτης αλλά μετά τις νουθεσίες του γιού του έγινε χριστιανός. Το όνομα της μητέρας του ήταν Ευβούλη, η οποία προερχόταν από χριστιανική οικογένεια. Σπούδασε την ιατρική από τον Ευφρόσυνο και κατηχήθηκε στη χριστιανική πίστη.Βαπτίσθηκε αργότερα από τον πρεσβύτερο Ερμόλαο που ήταν ιερέας της Εκκλησίας της Νικομήδειας.

Αφορμή του μαρτυρίου του στάθηκε ένα θαύμα του Αγίου. Κάποτε είχε θεραπεύσει έναν τυφλό, που είπε για την θεραπεία του στον βασιλιά.Τον ρώτησε το όνομα αυτού που τον θεράπευσε και εκείνος του είπε, ο Παντελέων στο όνομα του Χριστού, στον οποίο και ο ίδιος πλέον πίστευε. Ο βασιλιάς αφού τον άκουσε, αμέσως διέταξενα τον αποκεφάλισουν. Ο βασιλιάς συνέλαβε τον ίδιο τον Παντελεήμονα και διέταξε τον βασανισμό του με σκοπό την άρνηση της πίστεώς του.

Ο Άγιος βασανίσθηκε σκληρά με διάφορους τρόπους, αλλά άντεξε τις πιέσεις αφού ο Κύριος εμφανίσθηκε μπροστά του με τη μορφή του πνευματικού του Ερμόλαου και του έδωσε θάρρος.
Αφού δεν είχαν αποτέλεσμα οι βασανισμοί, διατάχθηκε ο αποκεφαλισμός του και ακούστηκε μία φωνή από τον ουρανό που τον καλούσε όχι ως Παντελέοντα αλλά ως Παντελεήμονα. Μόλις όμως ο δήμιος άπλωσε το χέρι του για να κόψει με το σπαθί του το κεφάλι του Αγίου, το σπαθί λύγισε και το σίδερο έλιωσε σαν κερί. Μπροστά σε τέτοιο θαύμα και οι στρατιώτες που βρίσκονταν στον αποκεφαλισμό έγιναν χριστιανοί. Τότε ο Άγιος Παντελεήμων με τη θελησή του παραδόθηκε στο μαρτύριο. Και άλλο θαύμα έμελλε να γίνει μετά τον θάνατό του. Λένε ότι από τη πληγή του δεν έτρεξε αίμα αλλά γάλα και η ελιά, στο δέντρο που τον είχαν δέσει καρποφόρησε ξαφνικά.