Eusebio nació en Cerdeña, en 283. Después del martirio de su padre, fue llevado a Roma por su madre, donde más tarde se convirtió en lector. Se convirtió en el primer obispo en Vercelli (en el norte de Italia), probablemente en algún momento entre principios y mediados de los años 340. Según una carta de Ambrosio a la congregación en Vercelli dos décadas después de la muerte de Eusebio, los líderes locales reconocieron su piedad y así lo eligieron en lugar de candidatos locales (Epistola lxiii, Ad Vercellenses). Inspirado en la vida de San Atanasio de San Antonio, fundó una comunidad sacerdotal en Vercelli que se parecía a una comunidad monástica. Este cenobio, a su vez, inspiró a otros como Gaudencio de Novara, Eustasio de Aosta y Máximo de Turín. Fue el primer obispo que vivió en común con el clero, dedicando sus mejores energías a formarlos en piedad y celo. Por esta razón, los Cánones Regulares de San Agustín lo honran junto con Agustín como su fundador.
En 354, el Papa Liberio pidió a Eusebio que se uniera al obispo Lucifer de Cagliari para llevar una petición al Emperador Constancio II en Milán, pidiendo al emperador que convocara un concilio para poner fin a las disensiones sobre el estado de Atanasio de Alejandría y el asunto del arrianismo. El sínodo se celebró en Milán en el año 355. Eusebio asistió a parte del concilio, pero se negó a condenar a Atanasio y fue exiliado, primero a Escitópolis en Siria, bajo la atenta mirada del obispo arriano Patrofilo, a quien Eusebio llama su carcelero, luego a Capadocia y, por último, a la Tebeida, en el Alto Egipto. Varias cartas que rodeaban el concilio escritas a o por Eusebio aún sobreviven, al igual que dos cartas escritas por él durante su exilio.
En este último lugar, Eusebio fue arrastrado por las calles y perseguido de muchas maneras, pero nunca abandonó la fe católica. Tras el ascenso de Juliano, los obispos exiliados fueron libres de regresar a sus sedes. Eusebio pasó por Alejandría y allí asistió al sínodo de Atanasio del año 362, que confirmó la divinidad del Espíritu Santo y la doctrina ortodoxa sobre la Encarnación. El sínodo también acordó tratar suavemente con los obispos arrepentidos que habían firmado credos arrianizantes bajo presión e imponer severas penas a los líderes de varias de las facciones arrianizantes.
Mientras todavía estaba de camino a casa, Eusebio tomó las decisiones del sínodo en Antioquía y esperaba reconciliar el cisma allí. La iglesia estaba dividida entre los seguidores de Eustaquio de Antioquía, que había sido depuesto y exiliado por los arrianos en 331, y los de los meletianos. Dado que la elección de Melecio en 361 fue llevada a cabo principalmente por los arrianos, los eustatianos no lo reconocieron, aunque proclamó solemnemente su fe ortodoxa después de su consagración episcopal. El sínodo alejandrino había deseado que Eusebio reconciliara a los Eustatianos con el obispo Melecio, purgando su elección de cualquier cosa que pudiera haber sido irregular en ella, pero Eusebio encontró que Lucifer de Cagliari también había pasado por ese camino, y había consagrado unilateralmente a Paulino, el líder de los Eustatianos, como Obispo de Antioquía.
Incapaz de reconciliar a las facciones, continuó hacia su hogar, visitando otras iglesias en el camino con el interés de promulgar y hacer cumplir la fe ortodoxa. Una vez de vuelta en Vercelli en 363, continuó siendo un líder con Hilario de Poitiers en la derrota del arrianismo en la Iglesia Occidental, y fue uno de los principales oponentes del obispo arriano Auxencio de Milán. Murió en 370 o 371.
Aunque en la edad Media a veces se le llamaba mártir, esto era más para honrar los sufrimientos que soportó al defender su fe. Las leyendas posteriores de su martirio no tienen base histórica. La Iglesia Católica Romana celebra su fiesta el 2 de agosto. Su antigua fiesta del 16 de diciembre coincidió aproximadamente con su elevación como obispo. Su fiesta actual coincide aproximadamente con el aniversario de su muerte. La Catedral de Vercelli está dedicada a él.
En una Audiencia General en octubre de 2007, el Papa Benedicto XVI observó,
Por lo tanto, los pastores, dijo Eusebio, deben instar a los fieles a no considerar las ciudades del mundo como su morada permanente, sino a buscar la ciudad futura, la Jerusalén celestial definitiva. Esta «reserva escatológica» permite a los pastores y a los fieles conservar la escala de valores adecuada sin someterse nunca a las modas del momento y a las injustas pretensiones del poder político actual. La auténtica escala de valores-parece decirlo toda la vida de Eusebio-no proviene de emperadores del pasado o de hoy, sino de Jesucristo,…