Pochádzal so stredomorského ostrova Sardínia, kde sa narodil koncom 3. storočia. Ako chlapec sa dostal do Ríma, kde chodil dko školy a stal sa lektorom tamojšej cirkevnej obce. Bol spolužiakom a priateľom neskoršieho pápeža Libéria.

Okolo roku 340 išiel – pravdepodobne ako pápežský poverenec – do Vercelli v severozápadnej Itálii, kde chcel pápež Július I. založiť nové biskupstvo. Eusébius úspešne splnil svoje poslanie. Obľúbili si ho i miestni duchovní a veriaci, takže ho jednomyseľne zvolili za prvého biskupa novej veľkej diecézy. Eusébius prijal biskupskú vysviacku z rúk pápeža Júliusa v Ríme.

Každý začiatok je ťažký a taký bol i začiatok vercellského biskupstva. Eusébius musel vybudovať celú cirkevnú organizáciu v kraji, ktorý bol ešte z veľkej časti pohanský. Okrem toho musel vykoreňovať pohanské zvyky, ktoré sa ešte dlho držali medzi novými kresťanmi, najmä na vidieku. Osobitnú pozornosť venoval duchovenstvu. V biskupskom sídle založil akýsi druh kláštora, v ktorom zhromaždil duchovných k spoločnému životu v modlitbe, práci a osobnej disciplíne. V tomto kláštore sa vychovávali pod biskupovým vedením aj noví duchovní, a to nielen pre vercellskú diecézu, ale pre biskupstvá celej severnej Itálie. Viacerí z takýchto vercellských „seminaristov“ sa uctievajú v Cirkvi ako svätí, napr. biskupi Limenius a Honoratus z Vercelli, Evagrius Antiochijský, Gaudencius Navarrský, Eustatius z Aosty, Eulogius z Ivrey, Maximus Turínsky a i.

Eusébius založil vo Vercelli aj ženský kláštor. Podľa tvrdenia sv. Ambróza Milánskeho Eusébiom založené kláštory boli vôbec prvé na kresťanskom západe.

Roku 353 sa konala v Galskom meste Arles (terajšie JV Francúzsko) synoda, ktorá na nátlak cisára Konštancia nespravodlivo odsúdila horlivého alexandrijského biskupa Atanáza, obrancu viery proti bludu arianizmu. Vtedy pápež Liberius poslal na cisárksy dvor delegáciu, ktorá mala s vladárom vyjednávať o uvedení vecí na správnu mieru. Na pápežov pokyn posolstvo išlo najprv do Vercelli, kde žiadalo Eusébia o spoluprácu a pomoc.Eusébius celkom súhlasil s pápežovými náhľadmi,ale nešiel na synodu, ktorú zvolal cisár na jar 355 do Milána. Vdel totiž, že cisár s pomocou ariánskych biskupov znova presadí rozhodnutia, ktoré poškodia irkev a kresťanskú vieru. Ale eď naňho pápež naliehal, ba aj cisár ho vyzval, aby prišiel, lebo chcel mať jeho podpis pod synodálnymi dokumentmi, Eusébius sa vybral do Milána.

Keď prišiel do baziliky, kde sa konalo zasadanie, predostrel biskupom na podpis vyznanie viery, ktoré bolo schválené na Nicejskom koncile roku 325. Chcel takisto biskupov priviesť k tomu, aby rokovali v ovzduší pravovernosti. Ale cisárov dôverník – biskup Valens z Murcie vytrhol Eusébiovi vierovyznanie z ruky a nedovolil, aby ho prítomní podpisovali. Vznikol rozbroj medzi biskupmi a takisto medzi veriacimi, ktorí z lode baziliky sledovali priebeh synodálneho rokovania. Bludárom naklonený cisár a jeho prívrženci mali takto príležitosť násilne zasiahnuť a umlčať zástancov pravovernosti. Synoda znovu odsúdila Atanáza. Dramatický protest Eusébia, milánskeho biskupa Dionýza a pápežského legáta Lucifera z Cagliari poslúžil iba tomu, že cisár všetkých troch poslal do vyhnanstva. Eusébia odvliekli do mesta Skythopolis v Palestíne.

Skythopoliským biskupom bol vtedy Patrofilos, fanatický arián, ktorý sa usiloval všetkými možnými prostriedkami zlomiť Eusébia. Ale verný vyznavač sa nedal odtrhnúť od pravovernosti ani hladom, ani väzením. Týranie a útrapy ho v istom období priviedli až na pokraj smrti. No medzitým na neho nezabudli verní diecezáni. Eusébia veľmi potešila návšteva dvoch klerikov: diakona Sira a exorcistu Viktorína, ktorí mu priniesli pozdravy a dary z Vercelli a okolitých biskupstiev. Eusébius sa im poďakoval listom, v ktorom opísal aj svoje útrapy vo vyhnanstve.

Koncom roku 360 alebo začiatkom 361 previezli Eusébia do Kappadócie v Malej Ázii a o krátky čas do Théb v Egypte. Odtiaľ napísal list elvírskemu (v terajšom Španielsku) biskupovi Gregorovi, ktorému vyjadril uznanie pre vernosť cirkevnej náuke a povzbudzoval ho, aby sa bránil ariánskym nástrahám. Eusébius sa nezdržal v Thébach dlho, lebo v novembri 361 nastúpil na rímsky trón cisár Julián Odpadlík, ktorý dovolil vyhnaným biskupom vrátiť sa do svojich diecéz.

Eusébius sa najprv zastavil v Alexandrii, kde sa na jar 362 zúčastnil na tzv. „synode vyznavačov“. Biskupi z Egypta, Lýbie a Arábie sa na nej pod vedením oslobodeného Atanáza radili, ako postupovať vo vtedajších vieroučných a organizačných ťažkostiach Cirkvi. Synoda poverila Eusébia a biskupa Asteria z Petry, aby odstránili rozkol na významnom patriarchálnom stolci v Antiochii. Ale táto úloha sa im nepodarila pre prenáhlené zásahy Lucifera z Cagliari, ktorý sa pri návrate z vyhnanstva zastavil v Antiochii ešte pred Eusébiom.

Z Antiochie si volil Eusébius dlhšiu cestu cez Malú Áziu, Macedónsko a Dalmáciu. Bola to vlastne veľká misijná cesta, na ktorej pôsobil ako apoštol, zmieriteľ a duchovný lekár. Po príchode do Itálie išiel najprv do Ríma, kde podal pápežovi Liberiovi správu o svojom vyhnanstve a o misijnej práci pri návrate. Do Vercelliprišiel na jar 363, po 8 rokoch neprítomnosti.

Eusébius sa znova dal horlivo do pastierskej činnosti vo svojej veľkej diecéze. Okrem toho navštevoval okolité biskupstvá. Tiež pozval biskupov z Itálie na rokovanie o stave Cirkvi na západnom Balkáne, v Ilýrii, kade prechádzal pri návrate z vyhnanstva. Výsledkom porád bol list italských biskupov Ilýrom roku 364. Na žiadosť Milánčanov sa Eusébius pokúsil s poitierskym biskupom Hilárom usporiadať cirkevné pomery v tomto cisárskom sídelnom meste, kde bol na čele diecézy ariánsky biskup Auxencius. Ale zasiahol sám cisár, ktorý rozkázal Hilárovi opustiť Miláno a nedovolil nahradiť Auxencia pravoverným biskupom.

Po ťažkom živote Eusébius zomrel pokojne 1. augusta 371. Pochovali ho v bazilike, ktorú on sám dal vystaviť nad hrobom mučeníka sv. Teonesta.

Sv. Eusébius Vercellský patrí medzi veľké osobnosti západnej Cirkvi v 4. storočí.