Ο Άγιος Ευστάθιος συνελήφθη και οδηγήθηκε ενώπιον του έπαρχου της Άγκυρας Κορνήλιου. Κατά τη διάρκεια της ανάκρισης, ομολόγησε με θάρρος την πίστη του στον Χριστό, πράγμα για το οποίο ξυλοκοπήθηκε άγρια. Το σώμα του κατακρεουργήθηκε, έως ότου δεμένο με ένα σχοινί σύρθηκε από την πόλη μέχρι τον ποταμό Σάγαρι.
Ο έπαρχος, βλέποντας τα μαρτύρια και την αδιαλλαξία του αγίου, αποφάσισε να τον κλειδώσει μέσα σε ένα κουτί και να τον ρίξει στον ποταμό. Ωστόσο, με θεϊκή παρέμβαση, άγγελος Κυρίου εμφανίστηκε και μετέφερε το κουτί έξω στη στεριά.
Ο άγιος, πατώντας ξανά στη γη, έψαλλε και δοξολογούσε τον Θεό. Ο Κορνήλιος, τρομαγμένος, γεμάτος ντροπή και δειλία, αυτοκτόνησε με το σπαθί του. Ο Άγιος Ευστάθιος προσευχήθηκε, κοινώνησε των Αχράντων Μυστηρίων, που του προσέφερε ένα περιστέρι κατεβαίνοντας από τον ουρανό, και παρέδωσε το πνεύμα του.
Τα τίμια λείψανά του τάφηκαν στην Άγκυρα.
