Porém, isto não o livrou da perseguição dos hereges arianos, que infestavam a cidade. Ao contrário, sofreu muito nas mãos deles. Como não mudava de posição e enfrentava os desafetos com resignação e humildade, acabou preso, tendo sido cortada qualquer forma de comunicação sua com os demais católicos. Na prisão, sofreu ainda vários castigos físicos. Contam os escritos que passou, também, por um terrível suplício psicológico.

Quando o povo cristão tomou conhecimento deste fato, ergueu-se a seu favor. Foram tantos e tão veementes os protestos que os hereges permitiram sua libertação. Contudo o exílio continuou e ele foi mandado para a Capadócia, na Turquia e, de lá, para o deserto de Tebaida, no Egito, onde foi obrigado a permanecer até a morte do então imperador Constantino. Foi seu sucessor, o imperador Juliano, o Apóstata, que deu a liberdade à todos os Bispos presos e permitiu que retomassem as suas dioceses.

Depois do exílio de seis anos, Eusébio foi primeiro participar do concílio de Alexandria, organizado pelo amigo, Santo Atanásio. Só então, passou a evangelizar, dirigindo-se primeiro à Antioquia e depois à Ilíria, onde os arianos, com sua doutrina, continuavam confundindo o povo católico. Batalhou, combatendo todos eles.

Mais tarde, foi para a Itália, onde foi recepcionado com verdadeira aclamação popular. Em seguida, na companhia de Santo Hilário, Bispo de Poitiers, iniciou um exaustivo trabalho pela unificação da Igreja Católica, na Gália, atual França. Somente quando os objetivos estavam em vias de serem alcançados é que ele voltou à sua diocese em Vercelli, onde faleceu no dia 1o. de agosto de 371.

Apesar de ser considerado mártir pela Igreja, na verdade Santo Eusébio de Vercelli, não morreu em testemunho da fé, como ocorrera com seu pai. Mas foram tantos os seus sofrimentos no trabalho de difusão e defesa do Cristianismo, passando por exílios e torturas, que recebeu este título da Igreja, cujo mérito jamais foi contestado. Com a reforma do calendário litúrgico de Roma, de1969, sua festa foi marcada para o dia 02 de agosto. Nesta data as suas relíquias são veneradas na Catedral de Vercelli, onde foram sepultadas e permanecem até os nossos dias.