Πατέρας του ήταν ο Ευστόργιος, ο οποίος ήταν εθνικός και μετά τις νουθεσίες του γιου του έγινε χριστιανός. Μητέρα του ήταν η Ευβούλη, η οποία προερχόταν από χριστιανική οικογένεια.
Εκπαιδεύτηκε στην ιατρική από τον Ευφρόσυνο και κατηχήθηκε στη χριστιανική πίστη και βαπτίσθηκε από τον πρεσβύτερο Ερμόλαο που ήταν ιερέας της Εκκλησίας της Νικομήδειας.
Κάποια στιγμή όταν οχιά δάγκωσε έναν νεαρό και ουσιαστικά τον θανάτωσε ο Άγιος Παντελεήμονας επικαλούμενος τον Χριστό τον ανάστησε.
Αφορμή του μαρτυρίου του στάθηκε ένα ακόμα θαύμα του Αγίου. Κάποτε είχε θεραπεύσει έναν τυφλό, ο οποίος και ανέφερε το γεγονός της θεραπείας του στον βασιλιά, λέγοντάς του ότι τον θεράπευσε ο Παντελέων στο όνομα του Χριστού, στον οποίο και ο ίδιος πλέον πίστευε.
Ο βασιλιάς αφού τον άκουσε, αμέσως διέταξε και τον αποκεφάλισαν. Ο ίδιος ο Παντελέων προσήχθη στον βασιλιά, ο οποίος διέταξε τον βασανισμό του με σκοπό την άρνηση της πίστεώς του.
Ο Άγιος βασανίσθηκε σκληρά με διάφορους τρόπους, όμως δεν υπέκυψε στις πιέσεις αφού ο Κύριος εμφανίσθηκε μπροστά του με τη μορφή του πνευματικού του Ερμόλαου και του έδωσε θάρρος. Τέλος διατάχθηκε ο αποκεφαλισμός του και τότε ακούστηκε 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 παραβρισκόμενοι στρατιώτες έγιναν χριστιανοί. Τότε ο Άγιος εκουσίως παραδόθηκε στο μαρτύριο.
Λέγεται ότι από τη πληγή του δεν έτρεξε αίμα αλλά γάλα και το δέντρο της ελιάς, στο οποίο τον είχαν δέσει καρποφόρησε ξαφνικά.
