По повелению императора святого великомученика Пантолеона привели в цирк и бросили его на растерзание диким зверям. Но звери лизали его ноги и отталкивали друг друга, стараясь коснуться руки святого. Видя это, зрители поднялись с мест и стали кричать: «Велик Бог христианский! Да будет отпущен неповинный и праведный юноша!» Разъяренный Максимиан приказал воинам рубить мечами всех, кто славил Господа Иисуса, и даже рубить зверей, не тронувших святого мученика. Видя это, святой Пантолеон воскликнул: «Слава Тебе, Христе Боже, что не только люди, но и звери умирают за Тебя!»
Наконец, обезумевший от ярости Максимиан приказал отрубить великомученику Пантолеону голову. Воины привели святого на место казни и привязали к масличному дереву. Когда великомученик начал молиться Господу, один из воинов ударил его мечом, но меч стал мягким, как воск и не нанес никакой раны. Пораженные чудом, воины закричали: «Велик Бог христианский!» В это время Господь еще раз открылся святому, назвав его Пантелеимоном (что значит многомилостивый) вместо прежнего имени Пантолеон, за его великое милосердие и сострадательность. Услышав Голос с Неба, воины упали на колени перед мучеником и просили прощения. Палачи отказались продолжать казнь, но великомученик Пантелеимон повелел выполнить приказ императора. «Если вы не исполните порученного вам, – сказал он, – не получите милости от Христа моего!» Тогда воины со слезами простились с великомучеником, целуя его руку. Когда мученику отсекли голову, то из раны вместе с кровью истекло и молоко, а маслина, к которой был привязан святой, в этот момент процвела и исполнилась целительных плодов. Видя это, много людей уверовало во Христа Иисуса. Тело святого Пантелеимона, брошенное в костер, осталось неповрежденным и тогда Никомидийский страстотерпец был погребен христианами на близлежащей земле схоласта Адамантия.
Лаврентий, Вассой и Провиан, слуги великомученика, видели его страдания и слышали Голос с Неба. Они написали повествование о жизни, страданиях и кончине великомученика. Память святого Пантелеимона издревле чтится Православным Востоком. Уже в IV веке были воздвигнуты храмы во имя святого в Севастии Армянской и Константинополе. Кровь и молоко, истекшие при усечении святого, хранились до X века и подавали верующим исцеления.
Честные мощи великомученика Пантелеимона частичками разошлись по всему христианскому миру. Особенно много их на Святой Горе Афон в таких известных и прославленных монастырях, как Ватопед, Ивер, Ксеноф, Хилендарь, Филофей, Дохиар, Зограф, Есфигмен, Пантократор, Кутлумуш, Святого Павла, Григориат, Симоно-Петр, Ксиропотам, в Ильинском, Андреевском скитах и других обителях. Честная и многоцелебная глава святого великомученика Пантелеимона «яко превеликое сокровище» хранится ныне в Русском Афонском Свято-Пантелеимоновом монастыре, в соборном храме обители, посвященном его имени. «Прославляющих Мя прославлю» (1 Цар. 2, 30) – сказал и исполнил дивный во святых Своих Господь.
В Никомидии накануне 27 июля – дня памяти святого великомученика совершается торжественный крестный ход с чудотворной иконой святого. Тысячи людей – православных христиан и инославных – армян, католиков и даже магометане съезжаются сюда и привозят сотни больных, которые получают исцеление по молитвам святого. В церковной книге «кондак», хранящейся в Никомидийской митрополии, зафиксировано две тысячи автографов греков, турок, итальянцев и армян, получивших исцеление по молитвам великомученика Пантелеимона. Вот несколько из них. В 1842 году армянин-католик приехал из Константинополя в местный монастырь Святого Пантелеимона с одержимой беснованием супругой. После того, как православный священник Григорий отслужил молебен великомученику и окропил больную святой водой, она совершенно исцелилась. В 1844 году у местного турка загорелся дом и пламя быстро охватило его. Испуганный хозяин выскочил во двор и закричал: «Пантели, ятишь!» (Пантелеимон, поспеши!) В это время над крышей увидели двух голубей и пламя мгновенно погасло. Благодарный турок принес несколько пиастров в церковь и отдал их на церковное масло. В 1851 году в окрестностях Никомидии саранча опустошила поля, сады и огороды. После усердной молитвы святому Пантелеимону жители окропили саранчу святой водой из чудотворного колодца, и саранча вся вымерла.