Né vers 275 à Nicomédie, il reçut une éducation païenne et devint médecin à la cour de l’empereur romain Maximien. Il se convertit au christianisme au contact d’un prêtre, Hemolaüs, et se préoccupa en premier lieu du salut de son père. Il finit par obtenir sa conversion en guérissant miraculeusement un aveugle sous ses yeux.

Après la mort de son père, il utilisa ses biens pour la charité ; il se préoccupait autant du salut des âmes que des soins aux malades, et obtint un grand nombre de conversions. La communauté chrétienne de Nicomédie augmenta beaucoup grâce à lui et il était particulièrement aimé de la population.

Dénoncé comme chrétien par des collègues jaloux de sa popularité, il fut arrêté sur ordre de l’empereur et torturé ; il résista d’abord par miracle à des tentatives d’exécution. Hermolaüs fut alors arrêté et sommé d’apostasier pour convaincre son disciple d’en faire de même : comme il s’y refusait, il fut mis à mort. Pantaléon fut lui-même décapité peu après, vers 305.