Ο Άγιος Παντελεήμων γεννήθηκε περί τα μέσα του 3ου αιώνα στη Νικομήδεια της Βιθυνίας, στη Μικρά Ασία. Το πρότερό του όνομα ήταν Παντολέων[2] και προερχόταν από εύπορη οικογένεια της πόλης.
Ο πατέρας του ήταν εθνικός (ειδωλολάτρης), ενώ η μητέρα του Ευβούλη είχε ασπαστεί το χριστιανισμό (η ιδια τιμάται ως Αγία) και η οποία άρχισε να του μιλά για τον Χριστιανισμό σε πολύ μικρή ηλικία ακόμα. Όμως δεν πρόλαβε να ζήσει πολύ με τον Παντολέων, αφού έφυγε από την ζωή όσο ο Παντολέων ήταν σε πολύ νεαρή ηλικία. Ο ίδιος απέκτησε από μικρή ηλικία εγκύκλια παιδεία και όταν την ολοκλήρωσε σπούδασε την ιατρική, διακρινόμενος όμως και για την ρητορεία του.
Οι σχέσεις μάλιστα της οικογένειάς του με το παλάτι ήταν πολύ καλές και σύντομα θα τον έφερναν ως γιατρό στην αυλή του Αυτοκράτορα Διοκλητιανού. Ο ίδιος τελικά όμως ασπάστηκε το χριστιανισμό. Η μεταστροφή αυτή συνέβη μετά από γνωριμία με τον Άγιο Ερμόλαο, την εποχή ενός διωγμού κατά των χριστιανών, και από το εξής θαυμαστό γεγονός: προχωρούσε ο Άγιος προβληματισμένος μετα την συνάντησή του με τον Άγιο Ερμόλαο και καθώς προχωρούσε αντίκρισε ένα παιδί πεσμένο κάτω νεκρό και δίπλα μια οχιά κουλουριασμένη, τότε σκέφτηκε, αν όντως υπάρχει Θεός ας γίνει κάτι. Τότε το παιδί αναστήθηκε και η οχιά έσπασε σαν μπαλόνι.
Ο Άγιος Ερμόλαος ήξερε για τον Παντολέοντα αφού ήταν πνευματικός της μητέρας του όσο εκείνη ζούσε. Λίγο αργότερα θα βαπτιστεί Χριστιανός μυστικά και θα προσπαθήσει να πείσει τον πατέρα του να γίνει κι αυτός, όπως και συνέβη με ένα θαύμα που ο ίδιος έκανε.