Né vers l’an 215 à Néocésarée (aujourd’hui Niksar dans le nord de la Turquie) dans une famille païenne, petit frère de saint Grégoire le Thaumaturge, il partit pour Beyrouth avec son frère après la mort de leur père vers 227 afin d’y étudier le droit. Mais sur place, leur rencontre avec Origène les poussa à se convertir et à demander le baptême.

De retour à Néocésarée vers 238 et après avoir distribué leurs biens aux pauvres, alors que Grégoire tentait de vivre en ermite, Athénodore commença l’évangélisation de sa ville natale. Sa grande éloquence et ses prédications remarquables entraînèrent de nombreuses conversions et firent qu’il fut choisi comme évêque de Néocésarée. Il était considéré comme « l’un des évêques les plus illustres ».

Athénodore défendit fréquemment la vraie foi contre les hérésies. Il participa ainsi au synode d’Antioche de 264 pour s’opposer à l’hérésiarque Paul de Samosate, évêque d’Antioche aux mœurs dissolues et qui rejetait la Sainte Trinité. Il fut martyrisé vers l’an 270, durant la persécution d’Aurélien.