Святого привели на место казни и привязали к масличному дереву. Когда великомученик молился, один из воинов ударил его мечом, но меч стал мягким, как воск, и не нанес никакой раны. Святой окончил молитву, и послышался Голос, звавший страстотерпца по имени и призвавший в Небесное Царство. Услышав Голос с Неба, воины упали перед святым мучеником на колени и просили прощения. Палачи отказались продолжать казнь, но великомученик Пантелеимон повелел выполнить приказ императора, сказав, что иначе они не будут иметь с ним части в будущей жизни. Воины со слезами простились со святым, целуя его.
Когда мученику отсекли голову, из раны потекло молоко. Маслина, к которой был привязан святой, в момент его смерти покрылась плодами. Многие присутствующие при казни уверовали во Христа. Тело святого, брошенное в костер, осталось в огне неповрежденным и было погребено христианами (+ 305). Слуги великомученика Пантелеимона Лаврентий, Вассой и Провиан видели его казнь и слышали Голос с Неба. Они написали повествование о жизни, страданиях и кончине святого великомученика.
Святые мощи великомученика Пантелеимона частичками разошлись по всему христианскому миру: честная глава его находится ныне в Русском Афонском монастыре во имя великомученика Пантелеимона целителя.