Eufemia urodziła się ok. 290 r. w Chalcedonie, miejscowości położonej po azjatyckiej stronie Bosforu. Już w młodości ślubowała żyć w dziewictwie. Przyszło jej żyć w czasach najstraszniejszych w starożytności prześladowań chrześcijan za cesarza Dioklecjana.
Ok. 303/307 r. rzymski prokonsul Azji Mniejszej, Priscus, wydał rozporządzenie, żądające od mieszkańców miasteczka złożenia ofiary pogańskiemu bóstwu Aresowi. Eufemia i inni chrześcijanie nie poddali się dyktatowi. Uciekli z miasta i ukryli się. Eufemię i 49 innych osób znaleziono w jednym z domów w okolicy - oprawcy znaleźli ich pogrążonych w modlitwie, na kolanach. Zażądano od nich złożenia ofiary bożkowi. Wszyscy odmówili.
Poddano ich torturom, które trwały ok. dwudziestu dni. Szczególnie okrutnie torturowaną najmłodszą z męczenników, Eufemię. Odddzielono ją od pozostałych i męczono odrębnie, między innymi przywiązując do koła obracanego nad dywanem z ostrych, nacinających ciało noży. Koło jednak miało się zaciąć. Próbowano wrzucić ją do pieca, ale dwóch oprawców po jego otwarciu dostrzegło w nich anioła i odmówiło wykonania rozkazu. Nawrócili się w momencie próby. Wschodnia tradycja zachowała ich imiona: Wiktor i Sostenes - za swój czyn mieli ponieść śmierć męczeńską. Wrzucono więc ją do dołu naszpikowanego ostrzami pokrytymi ziemią i darnią. Tradycja mówi o interwencji anielskiej i wyjściu bez szwanku z tych prób.
Męczeństwo dopełniło się w rzymskim amfiteatrze, gdzie urządzono igrzyska i nasłano na męczenników dzikie zwierzęta. Przekazy podają, że lwy miały Eufemię oszczędzić. Śmierć poniosła od niewielkiego ugryzienia w nogę przez głodną niedźwiedzicę. Jej ciało nie zostało więc rozszarpane i rodzice w całości złożyli je do grobu w Chalcedonie. Po edykcie tolerancyjnym Konstantyna Wielkiego (313 r.) i przeniesieniu stolicy do Bizancjum w Chalcedonie, na miejscu jej grobu wybudowano katedrę ku czci św. Eufemii. Ciało Świętej złożono w złotym sarkofagu.
W 451 r. w Chalcedonie odbył się najliczniejszy w starożytności IV Sobór Powszechny. Odrzucono na nim m.in. herezję monofizytyzmu (głoszącą, jakoby Jezus miał być tylko Bogiem, ale nie człowiekiem). Zatwierdzono także tzw. chalcedońskie wyznanie wiary, uznające pełnię człowieczeństwa i pełnię boskości Jezusa Chrystusa w Jednej Osobie. Zgoda w sprawie natury Boga-Człowieka Jezusa Chrystusa nie przyszła łatwo. Sobór był podzielony. Obie strony sporu trwały na swoich stanowiskach.
Patriarcha Konstantynopola Anatolius zasugerował więc poddanie się woli Bożej i przewodnictwu Ducha Świętego przez pośrednictwo św. Eufemii. Obrady odbywały się bowiem w katedrze jej poświęconej. Dwie tezy - monofizycką i ortodoksyjną - w formie wyznania wiary spisano na papirusach, zapieczętowano i złożono w sarkofagu św. Eufemii, na jej relikwiach. Sarkofag został zamknięty i zaplombowany. Cesarz Marcjan wystawił straże mające pilnować sarkofagu. Delegaci udali się na modlitwę i podjęli post. Po trzech dniach sarkofag otworzono. Papirus z wyznaniem monofizyckim leżał u stóp Eufemii. Wyznanie ortodoksyjne znajdowało się w jej uniesionej prawej ręce. Cud ten został poświadczony w liście papieża Leona I do uczestników Soboru: "Nasz Pan, przez pośrednictwo św. Eufemii, która wyznanie wiary - przedłożone jej przez Imperatora i jego czcigodną Małżonkę - przedstawiła swemu Oblubieńcowi, wskazał - uciszając przeciwników - na nasze Credo, i tak, wskazaniem i słowem, nałożył nań swoją pieczęć".
Ok. 620 r. relikwie św. Eufemii przeniesiono z Chalcedonu do Konstantynopola. W czasach obrazoburstwa relikwiarz zawierający jej szczątki miał być wrzucony do morza. Wyłowić go mieli dwaj bracia, Sergius i Sergonos, którzy oddali je prawowiernemu biskupowi. Relikwiarz ukryto w krypcie kościoła. Po jakimś czasie przeniesiono go na wyspę Lemnos, by wreszcie, w 796 r., przywieźć z powrotem do Konstantynopola.
W średniowieczu relikwie Eufemii zabrali z Konstantynopola krzyżowcy. Głowę Świętej templariusze przechowywali w Nikozji na Cyprze. Dziś większość relikwii znajduje się bazylice św. Eufemii w Rovinj (dawne Rovigno), w Chorwacji, w rzymskim sarkofagu z VI w. Według legendy relikwie trafiły tu ok. 800 r. - sarkofag wyłowić miał z morza mały chłopiec. Część relikwii ma się znajdować w cerkwii św. Jerzego Ekumenicznego Patriarchatu w Istambule.