Parece que era oriundo de la isla de Cerdeña y pertenecía a una familia noble que le dio una digna educación como correspondía a su rango. Profundizó en los estudios profanos primero y eclesiásticos después. Su juventud fue como la de cualquier joven de su edad y condición, pero siempre tratando de evitar el peligro que de ordinario conlleva la juventud un tanto alocada. Era ya desde joven muy amigo de la vida de comunidad que después tratará de implantar entre los sacerdotes de su diócesis.
El mismo Papa San Marcos quiso ordenarlo sacerdote el año 336. Estos años de simple sacerdote los pasó por una parte tratando de ampliar estudios en lo que ahora llamaríamos "formación permanente" y por otra entregado a su apostolado sacerdotal de la predicación de la Palabra de Dios y de actos de caridad: Visitaba a los enfermos en sus centros hospitalarios y en sus domicilios particulares tratando siempre de llevarles, sobre todo, el consuelo de la fe y la defensa contra las herejías arrianas, que fueron las primeras que atacaron con fuerza a la Iglesia.
Era clérigo de la Iglesia romana cuando fue designado como obispo de Vercelli en 345. Pertenece a ese grupo de pastores que, treinta años después del concilio de Nicea (325), supieron mantener con firmeza la fe de la Iglesia en la divinidad de Cristo ante el arrianismo que triunfaba gracias al apoyo imperial.
El obispo piamontés fue desterrado hacia el 355 por el emperador Constancio, al tiempo que San Hilario era, a su vez, separado de la Iglesia de Poitiers y tenía que marchar a Oriente. El exilio de Eusebio le condujo sucesivamente a capricho de las conminaciones de la fuerza pública, a Palestina, Capadocia y el Alto Egipto, poniéndole así en contacto con los centros más vigorosos del cristianismo de su tiempo.
Autorizado a volver a Vercelli con el advenimiento del emperador juliano (361), trajo de su destierro un celo pastoral acrecentado y un deseo extraordinariamente vivo por la santidad de su clero, con el que quería vivir en adelante en comunidad bajo una regla casi monástica como había de hacerlo, cuarenta años más tarde, Agustín de Hippona. Si se le considera desde este ángulo de mira, Eusebio de Vercelli es incontestablemente un innovador. Murió el 10 de agosto del año 371.