
Євсевій народився близько 260 чи 270 року у Палестині. Невідомо, чи народився він у християнській сім'ї, чи звернувся до християнства пізніше. Він здобув освіту в училищах Єрусалиму та Антіохії, потім навчався у Кесарії. Там у Кесарії він познайомився з працями Орігена, які сильно вплинули на погляди та літературну діяльність Євсевія) і став другом вченого-пресвітера Памфілія, який був фундатором богословської школи Кесарії.
Памфілій зібрав велику бібліотеку біблійних та патристичних праць. Після навчання у Кесарії, Євсевій став викладачем богословської школи цього міста. Памфіл та Євсевій із кількома іншими християнами жили в одній кімнаті, провадячи спільне господарство. У цей період Памфіл та Євсевій написали кілька книг, більшість з яких не збереглася. У цей час Євсевій почав скрупульозне дослідження всіх документів, що стосуються походження християнства.
У 309 році під час гонінь при Діоклетіані Памфілій після дворічного ув'язнення загинув як мученик, а Євсевій покинув Кесарію і здійснив подорож до Тир, а потім до Єгипту. Під час своєї подорожі він був очевидцем жорстоких дій влади під час цих переслідувань. Незабаром він і сам був ув'язнений, але через короткий час його звільнили.
Під час цього гоніння Євсевій зберіг книги Кесарійської бібліотеки та збагатив її новими колекціями рукописів, придбаних ним під час своєї подорожі Фінікією, Єгиптом та Фіваїдою. Хоча бібліотека не вціліла до пізнішого часу, численні цінні уривки з творів християнської літератури, що не збереглися в цілому вигляді, є в творах самого Євсевія. У цей період Євсевій займався упорядкуванням п'ятитомника «Захист Орігена», до якого після смерті Памфіла додав 6-й том і закінчив свою головну працю «Церковна історія».
У 311 році гоніння закінчилися, і Євсевій після свого звільнення повернувся до Кесарії, де у 315 році був обраний єпископом. Діоцез Євсевія, центром якого була Кесарія, займав усю Палестину. Після того, як Євсевій був обраний єпископом, йому довелося збирати розсіяну гоніннями церкву та виконувати деякі адміністративні обов'язки.
Коли в 318 році розгорілася аріанська суперечка, Євсевій залишився осторонь, зберігаючи нейтралітет. До Нікейського собору Євсевій у певному сенсі симпатизував Арію і деякі сучасники звинувачували його в єресі. Під час Нікейського собору запропонував ортодоксальний, але досить абстрактний варіант символу віри. Незважаючи на це, він підписав остаточний варіант Нікейського символу віри, ніколи не відкидав його, і згодом публічно рекомендував його пастві свого дієцезу.
У 331 році, після усунення патріарха Антіохійського Євстафія, Євсевію запропонували взяти на себе управління Антіохійським патріархатом, але він відмовився, тому що хотів займатися літературною діяльністю.
У 335 році відбувся Тирський собор, на якому Євсевій був призначений головою. На цьому соборі Євсевій виступив проти Афанасія Великого і в результаті собору Афанасій був зміщений. Відомо, що під час обговорення єпископ Потамон з Гераклеї, який разом із Євсевієм перебував у в'язниці під час гонінь Діоклетіана, дорікав єпископу за виступ проти Афанасія. Висловлюючи свої закиди, Потамон звинуватив Євсевія в боягузтві та невірності. Така підозра була висловлена у зв'язку з тим, що перед тим, як випустити Потамона з в'язниці, гонителі викололи йому одне око, тоді як Євсевій був відпущений неушкодженим. Виходячи з цього, Потамон висловив припущення, що Євсевій або вчинив жертвопринесення римським богам, або пообіцяв зробити це і тому його відпустили, не зробивши йому шкоди.
Євсевій був другом імператора Костянтина Великого. За його правління він був одним із придворних богословів. Костянтин часто прислухався до його порад, запрошував його за стіл, слухав його проповіді, написав йому кілька послань і довірив нагляд за копіями Писання, які використовувалися в церквах Константинополя.
У 336 році, при святкуванні тридцятої річниці правління імператора Костянтина, Євсевій сказав панегірик, сповнений найпомпезніших гіпербол на адресу чеснот імператора. Після смерті Костянтина в 337 році Євсевій у своєму творі, присвяченому цій події, знову прославив заслуги імператора, замовчуючи про його злочини.
Євсевій помер у 340 році, до самої смерті залишаючись єпископом Кесарії Палестинської.
На першому вселенському соборі, як учений з єпископів, Євсевій займав видатне становище: йому доручено було скласти символ віри від імені Собору. У своєму проекті Євсевій ухилився від категоричного вирішення питання, яке займало Собор, склавши символ у загальних висловлюваннях, частково сприятливих аріанству.
Проект Євсевія був тому замінений іншим, з внесенням терміну «Єдині», якого уникав Євсевій. Валезій († 1676), один із перших видавців та дослідників творів Євсевія, визнає, однак, Євсевія православним; так само думав російський патролог Філарет, єпископ Чернігівський.
А.В. Горський знаходить Євсевія лише нетвердим у догматичних поняттях. Професор О.П. Лебедєв (у творі «Вселенські собори IV і V ст.») вважає його відкритим вождем партії про піваріан. Баур називає його «віддзеркаленням коливань церковної свідомості» щодо вчення про Трійцю.
Сам Євсевій, у посланні до своєї кесарійської пастви, писаному з собору, каже, що він підписав символ собору, щоб не порушувати світу церкви, але що він залишається вірним старому символу Кесарійської церкви і в значенні цього старого символу тлумачить символ Нікейський.
Свої твори Євсевій писав грецькою; Проте збереглися вони переважно у перекладах і тлумаченнях (з тлумачів найдавніший — Руфін Аквілейський). Головні з них: Церковна історія, Хроніка, Життєпис царя Костянтина, Вихваляння Костянтина, Життя Памфіла», Приготування до Євангелія, Доказ на користь Євангелія, Проти Гієрокла, Витяг з пророків про Христа, Богоявлення, Договір книги, євангелій, Відповідь до Стефана і Марина про євангелію, тлумачення на Євангеліє від Луки, на Пісню піснею, псалми та пророцтва Ісаї.