Nato intorno al 280, fu vescovo di Berytus (Beirut) poi vescovo di Nicomedia a partire dal 318 d.C.
Studiò, come Ario, alla scuola di Luciano di Antiochia che teorizzava che Cristo, essendo stato creato dal Padre, non potesse essere il padre stesso, quindi non poteva essere Dio. Queste idee che, sviluppate da Ario, generarono l'eresia detta appunto Arianesimo, suscitarono in un primo periodo discussioni e fratture nell'ambiente clericale tanto che dopo una lunga serie di sinodi l'imperatore Costantino, che nel 313 aveva legalizzato il Cristianesimo e che intendeva controllare la Chiesa come strumento politico, convocò un concilio ecumenico per chiarire la situazione e tutti i suoi aspetti teologici.
Il concilio, al quale parteciparono oltre duecento vescovi, si tenne a Nicea e fu aperto il 20 maggio 323.
Ario, già scomunicato da un sinodo del 321, si era rifugiato presso Eusebio ed i due avevano fatto di Nicomedia il centro della nuova eresia. Eusebio lesse al concilio un documento che desciveva le tesi affermando apertamente la non divinità di Cristo. A queste tesi aveva già aderito una parte significativa dei vescovi presenti, tuttavia l'esposizione tanto diretta fatta da Eusebio preoccupò i simpatizzanti moderati ed infine gli ortodossi prevalsero.
Sul piano dottrinale il concilio si concluse con una decisione che era in realtà un compromesso: Cristo è generato, non creato, dal Padre al quale è consustanziale. Sul piano politico era importante evitare uno scisma, perciò Ario ed Eusebio vennero esiliati.
Di fatto gli ariani erano ormai in maggioranza e non trascorsero che tre anni finché Costantino richiamò Eusebio dall'esilio e lo nominò vescovo di Costantinopoli.
Eusebio divenne molto influente presso l'imperatore e riuscì a convincerlo a richiamare anche Ario ma questi, ormai molto anziano, morì mentre era in viaggio verso Costantinopoli nel 336.
Nel 337 Costantino, in punto di morte, si fece battezzare da Eusebio di Nicomedia.
Nel 341 Eusebio organizzò ad Antiochia un concilio dei soli vescovi ariani, in opposizione a quello tenutosi a Roma nel 340 su convocazione del papa Giulio I.
Nello stesso anno 341 Eusebio nominò vescovo dei Goti Ulfila e poco dopo morì .