El nacimiento de este santo fue el fruto de las oraciones de sus padres y de la intercesión del mártir Polyeucto. El padre de Eutimio era un rico ciudadano de Melitene de Armenia. Ahí se inició Eutimio en las ciencias sagradas, bajo la dirección del obispo, quien le ordenó sacerdote y le encargó de la supervisión de los monasterios. Eutimio visitaba con frecuencia el monasterio de San Polyeucto, y pasaba noches enteras orando en el monte vecino. Asimismo, se retiraba a orar todos los años, desde la octava de la Epifanía hasta el fin de la Cuaresma. Como su deseo de soledad no se satisficiera con esto, Eutimio abandonó secretamente su ciudad natal, a los veintinueve años de edad. Después de orar en los santos lugares de Jerusalén, se refugió en una celda, a diez kilómetros de la ciudad, cerca de la «laura» [La «laura» consistía en una serie de celdas a corta distancia unas de otras] de Farán. Tejiendo canastas, ganaba lo suficiente para vivir y aun repartía algunas limosnas entre los pobres. Cinco años más tarde, se retiró con un tal Teoctisto a una cueva situada a unos quince kilómetros de su celda anterior, en el camino a Jericó. Allí empezó a reunir algunos discípulos hacia el año 411. Confiando a Teoctisto el cuidado de la comunidad, el santo volvió a retirarse a una remota ermita. Sólo los sábados y domingos recibía a quienes iban en busca de consejo. Eutimio exhortaba a sus monjes a no comer nunca más de lo suficiente para satisfacer el hambre, pero les prohibía toda especie de singularidad en el ayuno y otras austeridades, porque tales cosas favorecen la vanidad y desarrollan la voluntad propia. Siguiendo el ejemplo de su maestro, todos los monjes se retiraban a la soledad desde la Epifanía hasta el Domingo de Ramos, fecha en que se reunían en el monasterio para celebrar los oficios de la Semana Santa. Eutimio recomendaba el silencio y el trabajo manual, de suerte que sus monjes pudiesen ganar no solo su vida, sino un poco más para ayudar a los pobres.
Con la señal de la cruz y una corta oración, san Eutimio curó de una parálisis de medio cuerpo a un joven árabe. El padre de éste, que había recurrido en vano a las famosas artes físicas y mágicas de los persas, se convirtió al cristianismo. Esto desató una oleada de conversiones entre los árabes, de suerte que el patriarca de Jerusalén, Juvenal, consagró obispo a Eutimio para que atendiese a las necesidades espirituales de los convertidos. El santo estuvo presente en el Concilio de Efeso, en 431. Juvenal construyó a san Eutimio una «laura» en el camino de Jerusalén a Jericó. No por ello abandonó el santo su regla de estricta soledad, sino que gobernó a sus monjes por medio de vicarios, a quienes daba sus instrucciones los domingos. La humildad y caridad de Eutimio le ganaban los corazones de cuantos se le acercaban. Su don de lágrimas parece haber sido todavía más notable que el del gran Arsenio.
San Cirilo de Escitópolis relata muchos de los milagros obrados por el santo con sólo hacer la señal de la cruz. En un período de sequía, Eutimio exhortó al pueblo a la penitencia para apartar esa plaga, las multitudes acudieron en procesión a su celda, llevando cruces, cantando el «Kyrie eleison», y suplicándole que ofreciese a Dios sus oraciones por ellos. Eutimio respondió: «Yo soy un pecador. ¿Cómo queréis que me presente ante Dios, que está airado por nuestras culpas? Postremonos todos juntos en su presencia, y Él nos escuchará». La multitud obedeció, y el santo, dirigiéndose a su capilla, se postró también en oración. El cielo se oscureció repentinamente, la lluvia cayó en abundancia, y las cosechas fueron notablemente buenas.
Cuando la emperatriz Eudoxia, viuda de Teodosio II, consultó a san Simeón el Estilita sobre las penas que afligían a su familia, dicho santo remitió a la hereje a san Eutimio. Este no recibía a ninguna mujer en su «laura». La emperatriz se construyó un refugio a cierta distancia y le rogó que fuese a verla allí. San Eutimio le aconsejó renunciar a la herejía de Eutiques y suscribir el credo del Concilio de Calcedonia. Eudoxia siguió el consejo, como si fuese la voz de Dios, y volvió a la ortodoxia de la fe. Gran parte del pueblo siguió su ejemplo. El año 459, la emperatriz pidió de nuevo al santo que fuese a verla a su refugio, pues tenía el plan de dotar la «laura» con rentas suficientes para su manutención. Eutimio le mandó decir que no pensara en la dotación y que se preparara a morir. La emperatriz admiró el desinterés de Eutimio, volvió a Jerusalén, y murió poco después. Uno de los últimos discípulos de san Eutimio fue el joven san Sabas, a quien el primero amó tiernamente. El 13 de enero del año 473, Martirio y Elías, a quienes el santo había predicho que llegarían a ser patriarcas de Jerusalén, fueron con algunos otros a acompañar a Eutemio a su retiro cuaresmal; pero éste les dijo que iba a quedarse con ellos toda la semana, hasta el sábado siguiente, dándoles a entender que su muerte estaba próxima. Tres días después, ordenó que se observase una vigilia general, la víspera de la fiesta de san Antonio, y en tal ocasión hizo a sus hijos espirituales una exhortación a la humildad y la caridad. Nombró a Elías por sucesor suyo y predijo a Domiciano, uno de sus discípulos predilectos, que le seguiría al sepulcro a los ocho días de su muerte, como sucedió en efecto. Eutimio murió el sábado 20 de enero, a los noventa y cinco años, después de haber pasado sesenta y ocho en el desierto. Cirilo cuenta que se apareció varias veces después de su muerte, y habla de los milagros obrados por su intercesión, de uno de los cuales él mismo fue testigo ocular. El nombre de san Eutimio aparece en la preparación de la misa bizantina.
Casi todos los datos que poseemos sobre la vida de Eutimio provienen de la biografía escrita por Cirilo de Escitópolis. En Acta Sanctorum, 20 de enero, se encuentra una versión latina de dicha biografía; E. Schwartz, Kyrillos von Skythopolis (1939), publicó una edición crítica del texto griego. Ver también DCB., vol. II, pp. 398-400; y R. Génier, Vie de S. Euthyme le Grand, 1909.