Eusèbe est né en Sardaigne, en 283. Après le martyre de son père, il fut emmené à Rome par sa mère, où il devint plus tard lecteur. Il devint le premier évêque de Vercelli (dans le nord de l’Italie), probablement vers le début et le milieu des années 340.Selon une lettre d’Ambroise à la congrégation de Vercelli deux décennies après la mort d’Eusèbe, les dirigeants locaux reconnurent sa piété et l’élurent ainsi plutôt que des candidats locaux (Epistola lxiii, Ad Vercellenses). Inspiré par la vie de saint Athanase de saint Antoine, il fonda à Vercelli une communauté sacerdotale qui ressemblait à une communauté monastique. Ce coenobium, à son tour, en inspira d’autres tels que Gaudentius de Novare, Eustase d’Aoste et Maxime de Turin. Il fut le premier évêque à vivre en commun avec le clergé, consacrant ses meilleures énergies à les former dans la piété et le zèle. Pour cette raison, les Chanoines réguliers de Saint Augustin l’honorent avec Augustin comme leur fondateur.
En 354, le pape Libérien demande à Eusèbe de se joindre à l’évêque Lucifer de Cagliari pour porter une demande à l’empereur Constance II à Milan, plaidant pour que l’empereur convoque un concile pour mettre fin aux dissensions sur le statut d’Athanase d’Alexandrie et la question de l’Arianisme. Le synode a eu lieu à Milan en 355. Eusèbe a assisté à une partie du concile, mais a refusé de condamner Athanase et a donc été exilé, d’abord à Scythopolis en Syrie, sous l’œil attentif de l’évêque arien Patrophile, qu’Eusèbe appelle son geôlier, puis en Cappadoce, et enfin à la Thébaïde, en Haute-Égypte. Plusieurs lettres entourant le concile écrites à ou par Eusèbe subsistent encore, ainsi que deux lettres écrites par lui pendant son exil.
Dans ce dernier lieu, Eusèbe a été traîné dans les rues et persécuté de nombreuses manières, mais n’a jamais abandonné la foi catholique. À l’accession de Julien, les évêques exilés étaient libres de retourner sur leurs sièges. Eusèbe passa par Alexandrie et y assista au synode d’Athanase de 362 qui confirma la divinité du Saint-Esprit et la doctrine orthodoxe concernant l’Incarnation. Le synode a également convenu à la fois de traiter avec modération les évêques repentis qui avaient signé des croyances arianisantes sous la pression et d’imposer des sanctions sévères aux dirigeants de plusieurs des factions arianisantes.
Alors qu’il était encore sur le chemin du retour, Eusèbe prit les décisions du synode à Antioche et espérait y réconcilier le schisme. L’église était divisée entre les partisans d’Eustathe d’Antioche, qui avait été déposé et exilé par les Ariens en 331, et ceux des Mélétiens. Puisque l’élection de Mélétius en 361 a été provoquée principalement par les Ariens, les Eustathes ne le reconnaîtront pas, bien qu’il ait solennellement proclamé sa foi orthodoxe après sa consécration épiscopale. Le synode d’Alexandrie avait souhaité qu’Eusèbe réconcilie les Eustathes avec l’évêque Mélétius, en purgeant son élection de tout ce qui aurait pu y être irrégulier, mais Eusèbe a constaté que Lucifer de Cagliari était également passé par là, et avait unilatéralement consacré Paulinus, le chef des Eustathes, comme évêque d’Antioche.
Incapable de réconcilier les factions, il continua vers la maison, visitant d’autres églises en cours de route dans l’intérêt de la promulgation et de l’application de la foi orthodoxe. De retour à Vercelli en 363, il continue d’être un chef de file avec Hilaire de Poitiers dans la défaite de l’Arianisme dans l’Église occidentale, et est l’un des principaux opposants à l’évêque arien Auxentius de Milan. Il mourut en 370 ou 371.
Bien qu’au Moyen Âge il soit parfois qualifié de martyr, c’était davantage pour honorer les souffrances qu’il endurait en défendant sa foi. Les légendes ultérieures de son martyre n’ont aucune base historique. L’Église catholique romaine célèbre sa fête le 2 août. Son ancien jour de fête du 16 décembre coïncidait à peu près avec son élévation en tant qu’évêque. Sa fête actuelle coïncide à peu près avec l’anniversaire de sa mort. La cathédrale de Vercelli lui est dédiée.
Lors d’une audience générale en octobre 2007, le Pape Benoît XVI a observé,
Par conséquent, les pasteurs, a dit Eusèbe, doivent exhorter les fidèles à ne pas considérer les villes du monde comme leur demeure permanente, mais à rechercher la ville future, la Jérusalem céleste définitive. Cette » réserve eschatologique » permet aux pasteurs et aux fidèles de préserver la juste échelle des valeurs sans jamais se soumettre aux modes du moment et aux revendications injustes du pouvoir politique actuel. L’échelle authentique des valeurs – semble dire toute la vie d’Eusèbe – ne vient pas des empereurs du passé ou d’aujourd’hui, mais de Jésus-Christ…