Родился в Никомидии, в малоазийской области Вифиния. Отец его, знатный язычник, назвал его Пантелеоном, что значит "по всему лев." Мать его, праведная Еввула, воспитывала его в христианской вере, но умерла, когда он был еще отроком. Пантелеимон поступил в языческую школу, затем обучался медицинскому искусству у знаменитого врача. Его представили императору Максимиану Галерию (286-305 гг.), который оставил Пантелеона при своем дворе в звании придворного врача.

В то время в Никомидии скрывались пресвитеры Ермолай, Ермипп и Ермократ, уцелевшие после сожжения христиан в городском храме. Иерей Ермолай обратил внимание на юного врача и изложил ему основные истины христианской веры. Пантелеон стал посещать пресвитера и получил от Бога дар исцелять болезни призыванием имени Христа. Увидев однажды на улице мертвого ребенка, укушенного змеей, Пантелеон стал просить Господа о воскрешении умершего. Ребенок ожил. После этого чуда Пантелеон принял крещение и был переименован в Пантелеймона, что означает "всемилостивый." К нему привели слепого, и он по молитве святого прозрел. Потом прозрел и его родной отец, приняв после исцеления святое крещение. Пантелеймон бесплатно лечил обращающихся к нему - кого лекарствами, кого своим молитвами. Это вызвало зависть врачей, и они донесли императору, что Пантелеймон - христианин.