Basilius stamt uit een vooraanstaande familie. Zijn vader, Basilius de Oudere, was niet alleen advocaat in Neo-Caesarea maar ook grootgrondbezitter. Verder waren Basilius’ voorouders al voor de bekering van keizer Constantijn christen. Basilius’ grootvader van moederszijde was tijdens de christenvervolging onder de keizers Galerius en Maximinus als martelaar gestorven, terwijl zijn grootouders van vaderszijde in die tijd veel ontberingen hebben geleden omwille van hun geloof. Zijn grootmoeder van vaderszijde, Macrina de Oudere, heeft in religieus opzicht veel invloed op de jonge Basilius uitgeoefend, evenals zijn oudere zus Macrina de Jongere. Over Basilius’ afkomst en familie zijn we redelijk goed geïnformeerd dankzij Basilius’ jongere broer Gregorius van Nyssa, die een vita over hun oudste zus heeft geschreven (Over het leven van Macrina), en over Basilius’ eigen leven dankzij een lofrede van zijn vriend Gregorius van Nazianze (Oratio 43: Tot eer van Basilius de Grote) en de vele brieven die Basilius heeft geschreven.
Basilius heeft zijn eerste onderwijs van zijn vader gekregen die hem het normale leerprogramma van die tijd onderwees. Daarna heeft hij retorica gestudeerd in achtereenvolgens Caesarea Cappadociae, Constantinopel en Athene. In deze laatste stad heeft hij waarschijnlijk zijn vriend Gregorius van Nazianze ontmoet. In 355 vestigt Basilius zich in Caesarea als leraar in de retorica. Uit deze tijd stamt waarschijnlijk zijn bekende geschrift Aan jonge mensen waarin Basilius uiteenzet hoe de studie van de klassieke Griekse literatuur in overeenstemming kan worden gebracht met een christelijke opvoeding. Het leraarschap duurt niet lang. Ondanks dat hij aan het begin van een waarschijnlijk glansrijke carrière staat, koestert hij grote bewondering voor Eustathius van Sebaste. Eustathius introduceerde en propageerde in Klein-Azië de monastieke levenswijze. Mede onder invloed van Macrina de Jongere kiest Basilius voor een christelijk leven: hij laat zich dopen. Ook verkoopt hij zijn bezittingen waarbij hij de opbrengst aan de armen schenkt. Intussen hebben zijn moeder Emmelia en zijn broer Naucratius voor een ascetisch-contemplatief leven gekozen. Deze wijze van leven oefent een grote aantrekkingskracht uit op de jonge Basilius.
Voordat hij zich op het familielandgoed Annesi bij Neo-Caesarea terugtrekt, maakt hij eerst een reis naar Syrië, Mesopotamië, Palestina en Egypte om zich beter te kunnen oriënteren op de ascetische levenswijze. In Egypte raakt Basilius onder de indruk van het cenobitisch monnikendom. Van 357 tot en met 365 verblijft Basilius met tussenpozen in Annesi waar hij met vrienden een ascetisch-contemplatief leven leidt. Ook Gregorius van Nazianze verblijft daar een aantal jaren. Uit deze tijd stammen het Klein Ascetikon (een voorvorm van de uitgebreidere en kortere regel van Basilius; alleen in een Latijnse vertaling van Rufinus overgeleverd) en de Moralia, die beide regels bevatten voor het levensgedrag van een christen. Wanneer hij in 365 op verzoek van de bisschop van Caesarea naar die stad terugkeert, organiseert hij daar de armenzorg en ordent hij de liturgie.
In 370 wordt Basilius bisschop van Caesarea Cappadocicae. Dit leidt vrijwel onmiddellijk tot een botsing met de dan heersende keizer. Keizer Valens steunde namelijk publiekelijk de homoiousiaanse factie binnen de triniteitstheologische strijd. Om de invloed van Basilius te verminderen splitste keizer Valens in 372 de Romeinse provincie Cappadocië en daarmee ook de kerkprovincie. Basilius reageert onmiddellijk door zijn broer Gregorius tot bisschop van het nieuw gecreëerde bisdom Nyssa te benoemen en zijn vriend Gregorius van Nazianze tot bisschop van het eveneens nieuw gecreëerde bisdom Samisa. Dit doet hij zeer tegen de wil van beide mannen, wat tot een persoonlijke verwijdering leidt tussen hem en Gregorius van Nazianze.
In de daarop volgende jaren raakt Basilius steeds verder verwikkeld in de triniteitstheologische strijd. Na het overlijden van Athanasius van Alexandrië in 373 wordt Basilius voorman van de factie die de geloofsbelijdenis van Nicea verdedigt. Ook onderneemt hij pogingen om de eenheid van de kerk in Antiochië te herstellen. In 375 verschijnt zijn geschrift Over de heilige Geest waarin hij een pleidooi houdt voor de godheid van de heilige Geest. De achtergrond van dit geschrift moet in een discussie worden gezocht die Basilius vlak daarvoor met zijn voormalige leermeester Eustathius van Sebaste heeft gevoerd. Omdat Eustathius de godheid van de heilige Geest blijft loochenen, komt het uiteindelijk tot een breuk tussen hen beiden. Vermoedelijk sterft Basilius in de herfst van 378.
De theologie van Basilius staat in direct verband met de triniteitstheologische strijd van de vierde eeuw. In 318 had Arius in Alexandrië de opvatting verkondigd dat de Zoon een schepsel is dat door de wil van God vóór de tijd was voortgebracht. Wanneer Basilius op het kerkpolitieke toneel verschijnt, wordt hij vrijwel direct geconfronteerd met een radicale variant van het arianisme in de persoon van Eunomius van Cyzicus. Eunomius gaat in zijn theologie uit van een volstrekt transcendente God die elke vorm van persoonlijkheid en activiteit mist. Volgens Eunomius kan er geen wezenlijke overeenkomst tussen de Vader en de Zoon bestaan. Als voortgebrachte is de Zoon namelijk niet één in wezen (homoousios) met de Vader omdat het wezen van de Zoon totaal verschillend is van dat van de Vader. Waarschijnlijk heeft Basilius Eunomius in 360 ontmoet op een rijkssynode in Constantinopel die hij samen met de bisschop van Caesarea heeft bezocht. In de daaropvolgende jaren ontwikkelt Basilius zich tot een verdediger van de geloofsbelijdenis van Nicea (325). In 364 leidt dat tot een drietal boeken waarin Basilius reageert op de Apologia van Eunomius: Contra Eunomium I-III. In het eerste deel bestrijdt Basilius de opvattingen van Eunomius, in het tweede deel verdedigt hij de niceense leer dat de Zoon één in wezen is met de Vader, en in het korte derde deel dat de heilige Geest één in wezen is met de Vader. In 375 verschijnt zijn geschrift Over de heilige Geest, waarin Basilius een pleidooi houdt voor de godheid van de heilige Geest zonder de Geest zelf God te noemen of één in wezen met de Vader.
Voor Basilius is God drie-een. Hij leidt dat af uit het doopbevel (Matt. 28:19). Zoals wij het doopbevel overgeleverd hebben gekregen, moeten wij volgens Basilius ook dopen, dus: in de naam van de Vader en van de Zoon en van de heilige Geest. En zoals wij dopen, moeten wij ook geloven en God lofprijzen. Op de achtergrond speelt het bijbelse onderscheid tussen Schepper en schepping. De Zoon en de heilige Geest staan op grond van het doopbevel aan de kant van God de Vader en dus kunnen zij niet tot de schepping behoren. Ook kunnen zij geen tussenwezens zijn omdat het onderscheid tussen Schepper en schepping geen derde soort toelaat. Basilius kan dan op tweeërlei wijze over God spreken. Allereerst over Gods verhouding tot de schepping: God de Vader werkt in de schepping door de Zoon en in de heilige Geest. Daarbij is al het handelen van Godswege altijd een gezamenlijk handelen van Vader, Zoon en heilige Geest. Terugredenerend moeten Vader, Zoon en heilige Geest dan een gemeenschappelijk wezen hebben. Hieruit volgt de tweede manier van spreken. Op grond van hun gemeenschappelijk wezen of natuur zijn Vader, Zoon en heilige Geest gelijkwaardig aan elkaar en kunnen de Zoon en de heilige Geest niet ondergeschikt zijn aan God de Vader.
In deze twee wijzen van spreken herkennen wij de moderne concepten van de economische Triniteit (betrekking hebbend op Gods openbaring in de heilsgeschiedenis) en de immanente Triniteit (betrekking hebbend op Gods wezen). Beide wijzen van spreken sluiten elkaar volgens Basilius niet uit. Zo kan Basilius God lof brengen zowel door de Zoon en in de heilige Geest, als ook met de Zoon en tezamen met de heilige Geest. Ondanks hun gemeenschappelijk wezen onderscheiden Vader, Zoon en heilige Geest zich van elkaar door hun specifieke eigenschappen. Voor de Vader is die eigenschap bij Basilius dat hij niet is voortgebracht, voor de Zoon dat hij is voortgebracht en voor de heilige Geest heiliging of heiligende kracht. Deze specifieke eigenschappen definiëren de personen van de Vader, de Zoon en de heilige Geest binnen de godheid.
Het godsconcept van Basilius is een nadere uitwerking van de geloofsbelijdenis van Nicea. Zijn invloed blijkt twee jaar na zijn dood op een rijksconcilie (dat in 451 tot het tweede oecumenisch concilie wordt verheven) in Constantinopel in 381. In het artikel over de heilige Geest in de geloofsbelijdenis van Nicea-Constantinopel vinden we de theologie van Basilius terug zonder dat de Geest in de geloofsbelijdenis God óf één in wezen met de Vader wordt genoemd.
Basilius heeft een omvangrijke literaire nalatenschap. Zijn geschriften laten zich eenvoudig indelen:
