Il culto di San Pantaleone è molto antico. Veniva venerato già dai greci come medico anargiro (santo medico che cura i malati senza nessun interesse personale). Già nel VI secolo, a Costantinopoli, gli fu dedicata una chiesa da Giustiniano, e nello stesso periodo sorsero due monasteri nei pressi di Gerusalemme che portavano il suo nome. Nei secoli il culto passò all'impero d'Occidente, e a Roma sono tre le chiese a lui dedicate.
La tradizione vuole che sia nato a Nicomedia da madre cristiana, e che fin da giovane avesse studiato i rudimenti della medicina per dar sollievo agli ammalati. Quando crebbe studiò e diventò un medico dotto, che non si limitò a curare i danni fisici, ma anche quelli psichici e spirituali. Tale era la sua abnegazione nella cura dei malati che Dio gli concesse di curare persone sulla soglia della morte, o con malattie incurabili: si racconta di come salvò un ragazzo dal morso di un serpente e come ridette la vista ad un cieco.
Probabilmente venne denunciato da alcuni colleghi invidiosi della sua bravura, e dovette presentarsi al cospetto di Galerio, l'imperatore. Questi, spaventato dalle capacità soprannaturali del Santo, lo fece decapitare, dopo una serie di orribili torture. Era il 27 Luglio 305.
Nell'iconografia è a volte rappresentato con gli strumenti del mestiere: mortaio, unguenti, e una palma come simbolo del martirio. Altre volte, le icone sono più crude: rappresentano il Santo decapitato, con la testa ai piedi dei suoi carnefici, o con le mani inchiodate alla testa. Probabilmente anche per questo motivo è considerato il Santo Protettore di chi soffre di emicranie.
È inoltre patrono della diocesi di Crema, e Venezia ha una particolare predilizione verso San Pantaleone, tanto che il suo nome (un po' storpiato) finì per ispirare quello di una maschera carnevalesca (per l'appunto, Pantalone).