Le notizie biografiche su Eusebio di Cesarea sono estremamente scarse e prevalentemente ricavate da riferimenti nelle sue opere.
Si ritiene che sia nato fra il 258 ed il 265, probabilmente a Cesarea di Palestina, tuttavia la denominazione Eusebio di Cesarea, già usata dai suoi contemporanei, potrebbe riferirse alla carica episcopale che Eusebio ricoprì in quella città e non al suo luogo di nascita.
Si ritiene che fosse di stirpe greca e non semitica, probabilmente di modesta condizione sociale. Studiò presso la scuola istituita a Cesarea da Panfilo, esegeta di testi biblici e commentatore di Origene.
Nel 300 il vescovo Agapio lo ordinò presbitero. Riuscì a compiere alcuni viaggi di studio prima dell'inizio delle persecuzioni di Diocleziano, tornato a Cesarea collaborò con Panfilo nella scrittura dei primi cinque capitoli dell'Apologia di OrigeneOrigene, fu quindi costretto a ripartire alla volta dell'Egitto mentre nel 310 Panfilo veniva giustiziato.
La sua incolumità durante le persecuzioni provocò sospetti ed Eusebio fu anche accusato di apostasia, tuttavia possiamo escludere questa ipotesi considerando che intorno al 313 Eusebio divenne vescovo di Cesarea e conservò la carica fino alla morte mentre l'avrebbe certamente perduta se i suoi avversari avessero potuto dimostrare che nel periodo delle persecuzioni aveva rinnegato la fede.
Alcuni anni dopo la nomina Eusebio fu coinvolto nella controversa ariana. Le posizioni cristologiche di Ario suscitarono grande scalpore, un concilio di vescovi egiziani scomunicò Ario, più tardi riabilitato da un concilio a Cesarea. L'imperatore Costantino intervenne direttamente per tentare di risolvere la questione e convocò un concilio ad Ancyra che si pronunciò contro le tesi ariane. Eusebio fu uno dei pochissimi vescovi presenti a non sottoscrivere le decisioni del concilio. Al concilio di Nicea del 325 Eusebio, che era stato temporaneamente scomunicato per le posizioni assunte ad Ancyra, presentò una possibile risoluzione della questione ariana.
Negli anni seguenti le dispute sulle tesi di Ario, alle quali Eusebio partecipò attivamente, comportarono gravi disordini in Antiochia, Alessandria ed altre città . In polemica contro il vescovo di Alessandria Atanasio, Eusebio fu tra i protagonisti del concilio di Tiro del 335 che si concluse con la condanna di Atanasio. Nello stesso anno Eusebio celebrò la dedicazione del Santo Sepolcro a Gerusalemme e pronunciò a Costantinopoli un panegirico per il trentennale del regno di Costantino.
Anche se autori anctichi hanno ritenuto che Eusebio avesse aderito alla fede ariana, la critica moderna ritiene che egli mantenne un atteggiamento equilibrato e che pur sottoscrivendo gli atti del concilio di Nicea non ne condivise a pieno il contenuto così come nei confronti di Ario mostrò una certa apertura senza sposarne in tutto le tesi.
Eusebio morì in una data non precisata fre il 337 ed il 340.

Principali opere di Eusebio di Cesarea:

Storia ecclesiastica
Egloghe profetiche
Commento a Luca
Apologia di Origene
Cronaca (opera di cronologia storica, in parte traduzione e rielaborazione di San Girolamo)
Vita di Costantino
Preparazione evangelica
Dimostrazione evangelica