Ses éminentes vertus le distinguèrent au sein du clergé de la ville de Verceil et lorsque le siège épiscopal vint à vaquer en l'an 340, le pape Jules Ier l'élut pour remplir la charge d'évêque.
Saint Eusèbe s'appliqua tout d'abord à former de dignes ministres de Jésus-Christ et un clergé instruit. Il organisa dans son palais épiscopal une école où les jeunes ecclésiastiques unissaient la vie monastique à la vie cléricale. Saint Ambroise en parle avec admiration: «C'est, disait-il, une milice toute céleste et toute évangélique, occupée jour et nuit à chanter les louanges de Dieu, à apaiser Sa colère et à implorer Sa miséricorde. Ils ont toujours l'esprit appliqué à la lecture ou au travail.» Le succès couronna ses efforts apostoliques, car de son clergé sortit un grand nombre de saints prélats aussi vertueux qu'éclairés. Plusieurs Églises sollicitèrent la faveur d'être gouvernées par les disciples de saint Eusèbe.
L'hérésie d'Arius favorisée par l'empereur Constance commençait à se répandre en Occident. Le saint évêque de Verceil résista ouvertement à l'empereur et lui reprocha hautement son impiété. En l'an 355, dans un concile tenu à Milan par le pape Libère, saint Eusèbe demanda qu'on souscrivit avant tout au symbole de Nicée et refusa de signer la sentence prononcée par les hérétiques contre saint Athanase d'Alexandrie.
Les évêques ariens s'opposèrent au Saint et le firent exiler en Palestine, à Scythopolis, où on lui fit subir d'indignes traitements. L'empereur Constance le transféra plus tard en Cappadoce et ensuite, dans la Haute-Thébaïde. Les ariens le traînaient par terre à demi-nu ou lui faisaient descendre un escalier très élevé la tête en bas et l'accablaient de coups. Saint Eusèbe souffrait tout sans se plaindre. Dans son exil, il écrivit aux Églises d'Italie pour les exhorter à demeurer fermes au milieu des persécutions.
Remis en liberté (par Julien l’Apostat !) après la mort de Constance survenue en 361, saint Eusèbe alla rallumer le flambeau de la foi dans les Églises d'Orient infestées par l'hérésie, et eut le bonheur de rencontrer le grand Athanase à Alexandrie.
Ce vaillant et fidèle défenseur de la foi termina sa vie laborieuse et pénitente à Verceil, à l'âge de quatre-vingt-cinq ans. Les souffrances qu'il avaient endurées pour défendre la divinité du Christ furent si grandes que l'Église lui décerna les honneurs du martyre, quoiqu'il n'ait pas perdu la vie dans les supplices. Ses précieuses reliques enchâssées reposent dans la cathédrale de Verceil.