Kiedy umarł Julian Apostata rządy objęli Walentynian I i Walens, który pod wpływem swojej matki, Justyny, zaciekłej arianki, na nowo zaczął prześladować prawdziwą wiarę. Św. Hilary i wielu innych biskupów zostało skazanych na wygnanie, a stolice ponownie objęli biskupi ariańscy. Św. Euzebiuszowi nie udało się skutecznie zainterweniować w ich obronie. Zmarł 1 sierpnia 371r. Pochowano go w bazylice, którą sam wystawił. Kult świętego szybko rozprzestrzenił się w Italii i Galii. Św. Grzegorz z Tours wyraża się o nim z największą czcią. Przechowywał też część jego relikwii w swojej kaplicy.
Biskup Vercelli pozostawił po sobie kilka pism, m.in. tłumaczenie na język łaciński z języka greckiego komentarza do Psalmów Euzebiusza z Cezarei. Z jego wielu listów zachowały się tylko trzy, w tym ten do cesarza Konstantyna. Ponadto z jego twórczości zachował się traktat o Trójcy Świętej, w którym w formie dialogu została podana nauka chrześcijańska o tej tajemnicy przeciwko arianom.
Bł. Jan XXIII na prośbę biskupów ogłosił go w 1961r. patronem diecezji przedalpejskich. W ikonografii przedstawia się go jako biskupa w szatach pontyfikalnych, czasami jako wygnańca. Jego atrybutem jest księga.