Жизнь Евсевия была описана преемником его по кафедре — Акакием, его учеником и другом, но эта биография не дошла до нас, и исторические сведения о первом церковном историке имеются лишь неполные и недостаточно определенные. Где и когда он родился, с точностью неизвестно. Можно предполагать, что Палестина, где он был епископом, была и его родиной. Время рождения иногда определяется не позже 260 г., иногда между 275–280 гг. В юности он слушал, может быть, уроки известного ученого пресвитера Дорофея в Антиохии (Eus. Η. Ε. VII, 32,2); затем познакомился в Кесарии с другим ученым — пресвитером Памфилом, получившим образование в Александрии, почитателем Оригена, собравшим значительную библиотеку, каталог которой составлял Евсевий и которая была завещана потом Памфилом Кесарийской церкви. Тесная дружба с Памфилом и побудила Евсевия сделать прибавку к своему имени, с которой он обычно и известен: Εύσέβιος ό Παμφίλου, т. е. друг Памфила. В 307 г. (5 ноября) Памфил, во время гонения, подвергся заключению и в 309 г. (16 февраля) претерпел мученическую кончину. Евсевий, занимавшийся вместе с ним во время его заключения составлением апологии Оригена, удалился сначала в Тир, потом в Египет, где ему не только уже пришлось быть также очевидцем преследования христиан, но и самому перенести заключение; обвинение, высказанное впоследствии против него на Тирском соборе (335 г.) епископом Ираклийским Потамоном, будто он купил при этом свободу ценой отречения от христианства, едва ли имело под собой действительные основания. По возвращении в Кесарию, когда наступили уже времена мира, Евсевий сделан был епископом, вероятно, около 313 г. Он вступает после этого в близкие отношения к императору Константину Великому и пользуется постоянным его расположением: в честь него во время 20–летнего и 30–летнего юбилеев его царствования (325 и 335 гг.) он произносит похвальные речи, описывает потом жизнь его в особом сочинении, имеющем характер настоящего панегирика. Деятельное участие он принимает в арианских спорах, склоняясь, однако же, не на сторону православия и выступая, после того как он подписал Никейское вероопределение, противником сначала Евстафия Антиохийского (331 г.), потом Афанасия Александрийского, а также Маркелла Анкирского, против которого он писал особые сочинения. Умер он не позже 340 г., может быть, в 339 г. (30 мая, по сирийскому мартирологу).
В своих сочинениях Евсевий выступает не как глубокий и оригинальный мыслитель — догматист и не как блестящий писатель — стилист, а как ученый с чрезвычайной начитанностью и богатством фактических знаний; на этом и основывается его значение. В своей догматике и вообще теоретических воззрениях он может быть верным Оригену (отсюда наклонность к арианству), но он не проникает глубоко в его систему и не проводит и не излагает ее последовательно и точно. Как писатель, он не принадлежит к классическим образцам; иногда, когда он всецело отдается, так сказать, предмету своей речи, не заботясь о красноречии, язык его бывает простым и ясным (против Маркелла); но чем более он хочет быть красноречивым, тем более речь принимает характер риторической искусственности, в ущерб точности, и в некоторых его сочинениях (Vita Constantini) делается «безнадежно напыщенной и неестественной» (Lightfoot). Но его ученость может возбуждать удивление. В его распоряжении находилась упомянутая библиотека Памфила, для него открыта была и другая замечательная библиотека христианской древности — существовавшая в Иерусалиме и учрежденная епископом Иерусалимским Александром. При столь благоприятных для ученых занятий условиях он успел приобрести самое обширное знакомство с книжными сокровищами древности и в своих сочинениях сохранил такую массу историко — литературных сведений потомству, что трудно теперь даже представить, какой вид имели бы наши знания о древности, если бы утрачены были и сочинения Евсевия, вместе с теми памятниками, которыми он пользовался. Его начитанность простиралась не на одну только богословскую христианскую письменность, но и на светскую языческую. В области богословия он оставил ученые труды почти по всем отраслям богословского знания: занимался критикой библейского текста, писал комментарии на Писание, оставил ряд апологетических трудов, писал трактаты по догматическим вопросам, но особенную известность получил как церковный историк.