Sant'Eusebio nacque in Sardegna all'inizio del quarto secolo. In gioventù arrivò a Roma, dove seguì gli studi ecclesiastici e si fece apprezzare da papa Giulio I. Verso il 345, lo stesso papa Giulio I nominò Eusebio vescovo di Vercelli. In questo modo egli divenne il primo vescovo del Piemonte e della intera regione subalpina. A Vercelli stabilì per sé e per i suoi preti l'obbligo della vita in comune, collegando l'evangelizzazione con lo stile monastico. In quel periodo i cristiani, non più perseguitati, cominciavano a litigare tra loro. Una parte dei cristiani seguiva la dottrina del concilio di Nicea del 325 sul Figlio di Dio generato, non creato, della stessa sostanza del Padre. L'altra parte seguiva i seguaci dell'arianesimo, che vedevano nel Figlio una creatura per quanto eminente. Con l'appoggio della corte imperiale, gli ariani ebbero il sopravvento in molte regioni e fecero esiliare per cinque volte Atanasio, vescovo di Alessandria d'Egitto. Atanasio era il più energico sostenitore della dottrina nicena ed era ammirato da Eusebio, che l'aveva conosciuto a Roma.
Papa Liberio mandò all'imperatore Costanzo, figlio di Costanzo il Grande, lo stesso Eusebio, che era già suo compagno di studi, insieme a Lucifero, vescovo di Cagliari. Ottenuto di rimettere la questione a un nuovo concilio, questo si riunì nel 355 a Milano, dove venne anche il sovrano Costanzo. Qui si riparlò di condannare ed esiliare Atanasio. Eusebio replicò lucidamente proponendo di firmare uno per uno il Credo di Nicea prima di esaminare i casi personali. La proposta scatenò un tumulto tra i vescovi e un altro tumulto dei fedeli contro di essi. Costanzo fece proseguire i lavori nella residenza imperiale senza i fedeli, e quasi tutti approvarono la ricondanna di Atanasio, tranne tre. I tre vescovi che non cedettero furono Eusebio, Lucifero e Dionigi, vescovo di Milano, che Costanzo fece esiliare. Dopo vari trasferimenti in Palestina, in Cappadocia e nella Tebaide egiziana, nel 361, morto l'imperatore Costanzo, si revocarono le condanne. Ritornato otto anni più tardi nella sua sede, Eusebio si adoperò strenuamente per ristabilire la fede contro l'eresia ariana. La morte lo colse nella sua città episcopale il primo agosto 371 o 372.