Cesáreo era hermano de san Gregorio de Nacianzo -el famoso teólogo- e hijo del obispo de dicha ciudad. Ambos hermanos recibieron una educación excelente; Gregorio estudió en Cesarea de Palestina y Cesáreo en Alejandría, donde se distinguó en todas las ramas del saber humano, especialmente en la oratoria, la filosofía y la medicina. Terminó sus estudios de medicina en Constantinopla y llegó a ser el mejor médico de su época. Aunque la ciudad del emperador Constancio quería conservarle, Cesáreo no quiso establecerse allí. Más tarde, Juliano el Apóstata le llamó de nuevo a Constantinopla, le nombró jefe de sus médicos y le exceptuó de los edictos que publicó contra los cristianos. Cesáreo resistió victoriosamente a todas las tentativas de Juliano por hacerle abandonar la fe; pero su padre y su hermano le convencieron de que abandonara la corte, a pesar de la oposición de Juliano. Joviano le restituyó a su antiguo puesto y Valente le nombró su tesorero particular, es decir, director de la hacienda pública, en Bitinia.
El año 368, Cesáreo estuvo a punto de perder la vida en un terremoto y quedó tan impresionado, que renunció al mundo. A su muerte, ocurrida poco después, dejó todos sus bienes a los pobres. Su hermano, san Gregorio, predicó su oración fúnebre, que es nuestra principal fuente de información. Dicho panegírico le mereció el título de santo y la conmemoración que de él hace el Martirologio Romano. Sin embargo, es casi seguro que san Cesáreo recibió el bautismo después del terremoto de Nicea, es decir, apenas unos meses antes de su muerte. Durante la mayor parte de los cuarenta años que pasó sobre la tierra fue, por su propia voluntad, siempre catecúmeno, sin derecho a participar en los sagrados misterios.
El panegírico puede verse en Migne PG 35, 755-788. La iglesia oriental lo celebra el 9 de marzo.