Hombre de vasta cultura, inquieto como las personas inteligentes que no pasan por la vida ajenas a las raíces de la historia, después de ver frustrados sus intentos de penetrar en el país galo, que estaba sumido en guerras, y donde se trasladaba con la idea de averiguar el paradero de dos de sus hermanos, vivió durante un tiempo en Navarra, en Aragón y en Toledo. En Leire tuvo ocasión de conocer la Vida de Mahoma así como clásicos de la literatura griega y latina, y otras obras relevantes entre las que se incluía La ciudad de Dios de san Agustín. Y después de contribuir a acrecentar el patrimonio espiritual de los monasterios sembrados por el Pirinieo, cuando ya había hecho acopio de una importante formación intelectual, regresó a Córdoba llevando con él un importante legado bibiográfico que nutriría los centros académicos de la capital. Poco a poco fue naciendo una especie de círculo en torno a él integrado por sacerdotes y religiosos.
Pero en el año 850 los cristianos cordobeses quedaron estremecidos ante la cruenta persecución que se desató contra ellos. Muchos regaron con su sangre el amor que profesaban a Cristo, negándose a abjurar de su fe y a colocar en el centro de sus vidas a Mahoma. Eulogio fue apresado; junto a él se hallaba el prelado Saulo. El artífice de su detención fue otro obispo, Recaredo, que junto a un grupo de clérigos se puso de parte de los musulmanes. En la cárcel redactó su obra «Memorial de los mártires». A finales del año 851 fue liberado. Con Muhammad I, sucesor de Abderramán, la situación de los cristianos se hizo aún más insostenible. Y Eulogio no estaba seguro en ningún lugar. De modo que durante un tiempo el santo fue de un lado a otro buscando proteger su vida.
El año 858 fue elegido arzobispo de Toledo, pero su glorioso martirio estaba próximo. La joven Lucrecia, hija de mahometanos, anhelaba ser católica. Como la obligaban a ser musulmana, ayudada por Eulogio huyó de su casa y se refugió en la de unos católicos. Apresados ambos el año 859, fueron condenados a muerte. La notoriedad pública de Eulogio era altísima. Los ojos de los fieles estaban clavados en él. De modo que si los captores lograban que abjurase de la fe, el éxito estaba más que asegurado. Muchos seguirían sus pasos. No lograron sus propósitos, a pesar de que astutamente le propusieron simular su retractación. Solo tenía que hacer creer a todos que abandonaba su fe, pero después podía actuar a conveniencia. Naturalmente, el santo respondió con el Evangelio en la mano, renovando los pilares esenciales de su vida ante el emir que presidía el tribunal. Uno de los fiscales que juzgaba su caso y el de Lucrecia montó en cólera:«Que el pueblo ignorante se deje matar por proclamar su fe, lo comprendemos. Pero tú, el más sabio y apreciado de todos los cristianos de la ciudad, no debes ir así a la muerte. Te aconsejo que te retractes de tu religión, y así salvarás tu vida». La pena capital era por decapitación. Pero Eulogio no se inmutó. Respondió: «Ah, si supieses los inmensos premios que nos esperan a los que proclamamos nuestra fe en Cristo, no solo no me dirías que debo dejar mi religión, sino que tu dejarías a Mahoma y empezarías a creer en Jesús. Yo proclamo aquí solemnemente que hasta el último momento quiero ser amador y adorador de Nuestro Señor Jesucristo», palabras que coronó derramando su sangre junto a la de Lucrecia el 11 de marzo del año 859.