Родился святой Василий около 330 года в Кесарии, административном центре Каппадокии, и происходил из известного рода, славившегося как знатностью и богатством, так и дарованиями и ревностью христианской веры. Его дедушка с бабушкой пострадали во время Диоклетиановых гонений. Его родной дядя был епископом, как, впрочем, и двое братьев — Григорий Нисский и Пётр Севастийский. Сестрой святителя была преподобная Макрина. Его отец, будучи оратором и законоведом, предназначал Василия для той же стези. Он получил прекрасное образование в Кесарии и Константинополе, а закончил его в Афинах, где повстречал и сдружился с Григорием Назианзином.
По возвращении в Кесарию Василий было посвятил себя светским делам, но влияние его благочестивой сестры Макрины (будущей игуменьи) заставило его повести более аскетичную жизнь и в конце концов, вместе с несколькими товарищами, покинуть городскую суету и поселиться на семейных землях в Понте, где они составили подобие монашеской общины. В 357 году Василий пустился в продолжительное путешествие по коптским монастырям, а в 360 году сопровождал каппадокийских епископов на синод в Константинополь.
Решение собора в Римини поддержать осуждённое Первым Вселенском собором учение Ария (которое разделял и кесарийский епископ Дианий) стало тяжёлым ударом для Василия и его товарищей. Примирившись с Дианием незадолго до его смерти, Василий был рукоположен во пресвитеры и сделался советником Евсевия, сменившего Диания в качестве епископа. Строгая и аскетичная жизнь Василия пришлась не по душе Евсевию, и первый предпочёл удалиться в свою пустыню, где стал налаживать монашескую жизнь, к которой всегда питал пристрастие.
Приход к власти арианского императора Валента и растущие притеснения православных понудили Евсевия искать помощи деятельного и усердного Василия. В 365 году последний вернулся в Кесарию и взял управление епархией в свои руки. Он написал три книги против ариан, проповедуя лозунг «три ипостаси в единой сущности», который был приемлем как для последователей Никейского символа веры, так и для тех, кто ещё недавно симпатизировал арианам. Несмотря на противодействие ряда епископов, по смерти Евсевия в 370 году Василий заступил на место митрополита Каппадокийского и ревностно принялся за искоренение арианства в Малой Азии.
Антиарианская деятельность Василия привела его к столкновению с Валентом. Во время путешествия императора по Каппадокии епископ наотрез отказался признать правоту арианского учения. В ответ Валент разделил Каппадокию на две провинции, что привело к сокращению канонической территории Василия и подорвало его позиции в церкви. Тем не менее Василию удалось продвинуть на место епископов ключевых городов своих соратников Григория Нисского и Григория Богослова. Основная же борьба развернулась за место патриарха антиохийского, на котором Василий — в отличие от епископов Александрии и папы Дамасия — не желал видеть ортодоксального никейца Павлина, опасаясь, что чрезмерное преувеличение единства Бога чревато ересью савеллианизма.
Гибель Валента в битве при Адрианополе изменила баланс сил в государстве и церкви, но Василий воспользоваться этим не успел. Его здоровье было подорвано аскетическим образом жизни. Он умер в первый день нового 379 года и в скором времени был причислен к лику святых. Память в Православной церкви 1 (14) января и 30 января (12 февраля) — Собор трёх святителей.