Евсевий родился в Палестине, получил образование в училищах Иерусалима и Антиохии. Изучал труды Платона, Филона Александрийского, особенно повлияло на него учение Оригена. Прозвище «Памфил», а точнее «Памфилов» (Εὐσέβιος ὁ Παμφíλου), он получил из-за дружбы с неким пресвитером Памфилом, но затем это прозвище стало восприниматься как его собственное второе имя.

Во время гонения Диоклетиана был одним из руководителей кесарийского огласительного училища, ему удалось спасти его библиотеку и даже обогатить ее новыми рукописями. Когда начались споры о природе Христа, он скорее по личным, нежели богословским причинам выступил с поддержкой Ария.

На Первом Вселенском Соборе он выступил, предложив в качестве примирительной формулировки использование крещального Символа Веры. Эта инициатива была принята, но сам символ был дополнен термином «единосущный». Евсевий согласился с этим «ради мира церковного», но до конца своих дней склонялся к полуарианству, ходатайствуя перед императором Константином за своих единомышленников.

Несмотря на спорность его догматических воззрений, Евсевий Кесарийский по праву считается отцом церковной истории. Самый известный его труд посвящен истории христианства до 324 года, используя как церковные, так и государственные архивы. Примыкает к нему знаменитый панегирик «Жизнь Константина», а также небольшие работы об истории мучеников.

Ему принадлежат и богословские труды: «Приуготовление к Евангелию», «Доказательство в пользу Евангелия», «Против Гиерокла», «Извлечение из пророков о Христе», «Богоявление», «Две книги против Маркелла», «Три книги о церковном богословии» и другие.