Su progreso en los estudios le dispensó a Pantaleón que el emperador lo nombrara su médico de cabecera. Es entonces que entabló amistad con Hermolao, anciano sabio que era amigo de su madre, quien le enseñaba sobre que al que tiene Fe en Jesucristo y en sus milagros también los puede llegar a hacer en su nombre y, aunque estas palabras al principio no calaban en el muchacho, el Señor iba depositando en su corazón puro y amante de la verdad su gracia. Se cuenta que un día halló en su camino a un niño muerto por la mordedura de una serpiente que todavía se hallaba en el lugar, lo que conmovió las fibras de su corazón, e invocando el nombre de Jesús pidió la cura o resurrección de la criatura y la muerte del ofidio, contemplando luego para su asombro que el niño revivía y la serpiente moría, con lo que el Señor le quitó al joven médico todas las dudas que tenía sobre las enseñanzas de Hermolao.
Luego de ello, Pantaleón comenzó a prepararse para el Bautismo, porque quería ser un soldado de Cristo, e invitó a su padre para que también se bautizara, a lo que el mismo se negó. Pero Dios le puso en el camino a Antimo, un ciego de muy buena posición, el que había gastado mucho dinero en tratamientos sin resultados, al que el joven tocó sus ojos con las manos y, en nombre de Jesús, le devolvió la vista, provocando así la conversión de su inflexible padre. Poco tiempo después su padre falleció, dejándole a Pantaleón una cuantiosa fortuna, que repartió entre los pobres, a quienes consideraba sus hermanos. En tanto, el emperador Diocleciano, inducido por los sacerdotes paganos, dictó leyes para perseguir a los cristianos, aunque como estimaba al joven médico no prestó oídos a las acusaciones en su contra.
En el año 313, al morir Diocleciano, lo sucedió Maximiliano, quien quiso disuadir a Pantaleón de su Fe, mandando que lo ataran a un poste y lo flagelaran, azotándolo con látigos y otros tormentos, quemándole luego las llagas con hierros y tizones encendidos. Viendo los torturadores que Pantaleón no experimentaba sufrimiento por los castigos, y que a cambio esto aumentaba la conversión de los presentes, decidieron poner fin a su vida, introduciéndolo en una caldera con plomo derretido. Este hecho, en lugar de causar su muerte, fue como un bálsamo que curó todas sus heridas y quemaduras. Maximiliano, viéndose humillado al no poder quebrantar la Fe del Santo Médico, mandó atarlo de pies y manos y le colgaron del cuello una pesada piedra, para luego arrojarlo al mar, y Pantaleón salió flotando en la otra orilla, donde fue rescatado y desatado por sus amigos.
Preso nuevamente, fue llevado ante el Emperador, quien también mandó detener a Hermolao y decapitarlo por no ofrecerse a los dioses paganos. Pantaleón fue enviado al anfiteatro para que lo devoraran las fieras y ante la presencia de todos y de Maximiliano los leones cambiaron su actitud y le lamieron las manos, lo que provocó muchas conversiones al cristianismo. Luego fue preso nuevamente y atado a una gran rueda dentada, para arrojarlo a una barranca para que se destrozara el cuerpo del mártir, pero la rueda, en la primera vuelta, cortó las ligaduras, dejando a Pantaleón libre en el suelo. El emperador, desesperado ante estas demostraciones divinas y milagrosas, quiso terminar de una vez con él, haciéndolo llevar y atar al tronco seco de un árbol en el centro de la plaza de Nicomedia, donde fue azotado, y cuando su sangre humedeció la tierra el añoso olivo dio muestras de vida y de su tronco aparecieron hojas y frutos, y Pantaleón, cansado de tantos tormentos, pidió a Dios que lo llevara consigo, por lo que su eterna vida se halla simbolizada en la estampa donde está el olivo que volvió a nacer.
Se dice que una mujer recogió su sangre del suelo, mezclada con tierra y musgo, y que aún se conserva. Cuando se conmemora su martirio, todos los 27 de julio de cada año, esa misma sangre, que está siempre coagulada, se licua milagrosamente, lo cual es un hecho inexplicable para la ciencia y admirable aún para los incrédulos. Este prodigio puede observarse en el relicario de la ciudad de Ravello (Italia) y también en Madrid (España), donde también se venera la sangre de San Pantaleón.
