Максимиан уговаривал святого опровергнуть донос и принести жертву идолам, но избранный страстотерпец Христов и благодатный врач исповедал себя христианином и на глазах императора исцелил расслабленного: «Во имя Господа Иисуса Христа, встань и будь здоров», – произнес святой Пантолеон, и больной тотчас выздоровел. Ожесточенный Максимиан приказал казнить исцеленного, а святого Пантолеона предал жесточайшим мукам. «Господи Иисусе Христе! Предстани мне в эту минуту, дай мне терпение, чтобы я до конца мог вынести мучение!» – молился святой и услышал голос: «Не бойся, Я с тобой». Господь явился ему «во образе пресвитера Ермолая» и укрепил перед страданиями. Великомученика Пантолеона повесили на дереве и рвали тело железными крюками, обжигали свечами, растягивали на колесе, бросали в кипящее олово, ввергали в море с камнем на шее. Однако во всех истязаниях мужественный Пантолеон оставался невредимым и с дерзновением обличал императора. Господь неоднократно являлся святому и укреплял его. В это же время перед судом язычников предстали пресвитеры Ермолай, Ермипп и Ермократ. Они мужественно исповедали Сладчайшего Господа Иисуса и были обезглавлены (память 26 июля).
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.