Di Eufemia si sa con certezza solo che fu una giovane martirizzata a Calcedonia e che il suo culto, per un breve periodo, divenne molto popolare ed esteso. Secondo la sua passio, scritta dopo il concilio di Calcedonia (451) e ritenuta poco attendibile dagli studiosi moderni, Eufemia fu arrestata perché rifiutò di partecipare a una festa pagana in onore del dio Ares.
Dopo essere sopravvissuta miracolosamente a una serie di torture brutali, riassunte nel Martirologio Romano, fu infine uccisa da una bestia feroce, mentre le altre si accovacciarono ai suoi piedi. Secondo S. Asterio di Amasea (30 ott.), che cita questi episodi nel suo elogio della santa, composto a un certo punto tra il 380 e il 410, esisteva una serie di affreschi che raffiguravano le sue torture sulle pareti della grande chiesa eretta in suo onore a Calcedonia.
Lo storico Evagrio descrive dettagliatamente la chiesa e testimonia la popolarità del culto di Eufemia. Egli afferma inoltre che le autorità civili ed ecclesiastiche, insieme al popolo, si recavano a Calcedonia per beneficiare delle benedizioni garantite dalla sua intercessione e dei numerosi miracoli che le venivano attribuiti.
Il fatto che il concilio di Calcedonia, che condannò il monofisismo, si svolgesse nella sua chiesa nel 451 fu probabilmente dovuto anche allo straordinario prestigio che Eufemia aveva raggiunto. Non è invece attendibile la leggenda secondo la quale, per trovare una soluzione alla controversia, i padri del concilio avrebbero collocato nella sua cappella due libri, uno contenente la posizione monofisita e l'altro quella ortodossa. Dopo aver pregato per tre giorni e aver aperto il sepolcro della santa, avrebbero trovato il libro monofisita ai suoi piedi e quello ortodosso nella sua mano destra.
La dislocazione dei numerosi luoghi che portano il suo nome in Italia, a partire dalle coste pugliese e calabra, suggerisce che il culto sia giunto dall'Asia Minore per poi estendersi in tutto il paese, specialmente nella zona di Milano, e persino in Francia, dove è menzionato da S. Vittricio di Rouen (7 ago.).
Il restauro, da parte di papa S. Sergio I (8 set.), dei ruderi di una chiesa dedicata a Eufemia a Roma implica che, sebbene il suo culto fosse forte, non ebbe però lunga durata, almeno in Occidente. D'altro canto, la santa era ancora abbastanza nota ad Andrea Mantegna, che la ritrasse nel XV secolo.
Papa Pio XII (1939-1958) la citò inoltre nella sua enciclica Sempiternus Christus Rex, scritta per commemorare il quindicesimo centenario del concilio di Calcedonia nel 1951. Santa Eufemia è anche menzionata nel canone del rito ambrosiano e al momento della preparazione delle offerte nel rito bizantino. In Oriente è spesso chiamata S. Eufemia la Celebre.
Santa Eufemia è generalmente raffigurata come una giovane donna, con l'abbigliamento proprio delle sante martiri. Il suo principale attributo iconografico è il leone, che ricorda il supplizio subito nell'arena. In alcune rappresentazioni la santa appare infatti accanto alla belva o con il leone ai suoi piedi.
Tra gli altri attributi ricorrenti vi sono la palma del martirio, simbolo della vittoria sulla morte attraverso la fede, il giglio, associato alla purezza e alla verginità, e la spada, che richiama il martirio. Andrea Mantegna la rappresentò proprio con questi attributi, raffigurandola con il leone, il giglio, la palma e la spada.
Un importante esempio dell'iconografia della santa è il Martirio di Santa Eufemia di Andrea Mantegna, conservato nel Museo di Capodimonte a Napoli. L'opera, realizzata nel XV secolo, mostra la martire in piedi, elegantemente abbigliata, con la palma del martirio e gli altri attributi che ne permettono l'identificazione.
Un'altra celebre rappresentazione è la Santa Eufemia dipinta da Giovanni Bellini, nella quale la santa è raffigurata con un atteggiamento solenne e devoto, secondo il modello della giovane martire. L'opera testimonia la fortuna del culto della santa nella pittura veneziana del Rinascimento.
Particolarmente significativa è anche la Pala di Santa Eufemia di Alessandro Bonvicino, detto il Moretto, conservata nella chiesa di Sant'Afra a Brescia. L'opera rappresenta la santa martire con i suoi tradizionali attributi iconografici e costituisce uno degli esempi più importanti della sua raffigurazione nella pittura rinascimentale bresciana.
In alcune opere la santa è rappresentata mentre tiene in mano una ruota o altri strumenti di tortura, in riferimento ai supplizi che, secondo la tradizione, avrebbe subito durante la persecuzione. Il leone rimane tuttavia l'attributo più caratteristico e immediatamente riconoscibile della martire di Calcedonia.
La santa può inoltre essere raffigurata con un libro, con un richiamo alla tradizione legata al concilio di Calcedonia e alla sua particolare importanza nella storia della Chiesa. In alcune rappresentazioni orientali, invece, assume un aspetto più vicino alla tradizione bizantina, con il volto severo e ieratico tipico delle icone dei martiri.
Un esempio particolarmente importante dell'iconografia orientale è costituito dalle icone bizantine e post-bizantine di Santa Eufemia, nelle quali la martire è solitamente rappresentata frontalmente, con la palma nella mano e il leone ai suoi piedi o accanto alla figura. Queste immagini sottolineano la sua dignità di testimone della fede e il legame con la tradizione della Chiesa d'Oriente.
Le rappresentazioni di Santa Eufemia sottolineano soprattutto la sua fermezza nella fede e la vittoria sul martirio. La palma, il leone e gli strumenti della passione permettono di identificarla facilmente nelle opere d'arte sacra dedicate alle sante martiri dei primi secoli del cristianesimo.