Μετά τα εγκύκλια μαθήματα που πήρε στην πατρίδα του, ο Βασίλειος στάλθηκε στο Βυζάντιο για ευρύτερες σπουδές. Το 351 πήγε στην Αθήνα, όπου ανθούσαν ακόμη τα γράμματα και οι τέχνες. Σπούδασε ρητορική, φιλοσοφία, αστρονομία, γεωμετρία, ιατρική, φυσική κ.ά. Στην Αθήνα γνωρίστηκε με τον Ιουλιανό, μετέπειτα αυτοκράτορα του Βυζαντίου και αργότερα μεγάλο πολέμιο του Χριστιανισμού, και τον Γρηγόριο τον Ναζιανζηνό, με τον οποίο τον συνέδεσε μία ιερή και ισόβια φιλία.
Σκόπευε να μείνει οριστικά εκεί, αν δεν επισυνέβαινε ο θάνατος του επισκόπου Καισαρείας Ευσέβιου. Ο λαός της Καισαρείας ζήτησε να τον διαδεχθεί ο Βασίλειος και μετά την εκλογή του αναγκάστηκε να επιστρέψει στην Καισάρεια. Παρέμεινε για εννέα χρόνια επίσκοπος Καισαρείας και άφησε σπουδαίο έργο, που αποτέλεσε παράδειγμα προς μίμηση για τις επόμενες γενιές. Ίδρυσε μία σειρά από φιλανθρωπικά ιδρύματα, που έγιναν γνωστά ως «Βασιλειάδα», η οργάνωση των οποίων για την περίθαλψη των φτωχών και των ασθενών αποτέλεσε υπόδειγμα πνευματικής προσφοράς και κοινωνικής δράσης.
Ο Βασίλειος ήταν αλύγιστη ψυχή μπροστά σε κάθε είδους κοσμική εξουσία. Κάποτε, ο αυτοκράτορας Ουάλης, που υποστήριζε τους Αρειανούς, του έστειλε τον επίτροπό του Μόδεστο. Ο αυτοκρατορικός απεσταλμένος τον φοβέρισε με δήμευση της περιουσίας του, εξορία και μαρτυρικό θάνατο. Ατάραχος, ο Βασίλειος απάντησε:
– «Κανένας άλλος επίσκοπος δεν μου μίλησε έτσι», είπε θυμωμένος ο Μόδεστος.
– «Δεν θα μίλησες ποτέ με πραγματικό επίσκοπο», του ανταπάντησε ο Βασίλειος.
Ο Μέγας Βασίλειος υπήρξε πολυγραφότατος συγγραφέας, με καθοριστική συνεισφορά στη διατύπωση του δόγματος της Αγίας Τριάδας, ενώ συνέταξε και Θεία Λειτουργία («Λειτουργία του Μεγάλου Βασιλείου»). Τα έργα του διακρίνονται σε δογματικά, αντιαιρετικά, ασκητικά, πρακτικά, ομιλίες και επιστολές.
Σε όλη τη σύντομη ζωή του αγωνίστηκε για την ενότητα της Χριστιανικής Εκκλησίας, που μαστιζόταν στην εποχή του από θεολογικές έριδες σχετικά τις δοξασίες του Αρείου. Πέθανε την 1η Ιανουαρίου του 379 σε ηλικία 49 ετών και τάφηκε με μεγάλες τιμές.
Απολυτίκιον Αγίου Βασιλείου
Εις πάσαν την γην εξήλθεν ο φθόγγος σου,
ως δεξαμένην τον λόγον σου,
δι’ ου θεοπρεπώς εδογμάτισας,
την φύσιν των όντων ετράνωσας,
τα των ανθρώπων ήθη κατεκόσμησας.
Βασίλειον ιεράτευμα, Πάτερ Όσιε·
πρέσβευε Χριστώ τω Θεώ,
σωθήναι τας ψυχάς ημών