Κατά την Τετάρτη Αγία και Οικουμενική Σύνοδο, που συγκλήθηκε στη Χαλκηδόνα από τους ευσεβείς αυτοκράτορες Μαρκιανό και Πουλχερία στη μεγάλη βασιλική της αγίας Ευφημίας, οι εξακόσιοι τριάντα Πατέρες ανέλαβαν να αναιρέσουν τις αιρετικές γνώμες του αρχιμανδρίτη Ευτυχίου, που υποστηριζόταν από τον αρχιεπίσκοπο Αλεξανδρείας Διόσκορο. Για να λυθεί η διαφορά με θεία απόφαση, ο πατριάρχης άγιος Ανατόλιος πρότεινε στα δύο μέρη να συντάξουν τόμο περιέχοντα την αντίστοιχη Ομολογία Πίστεως τους και τα δύο έγγραφα να κατατεθούν στην λάρνακα της αγίας Ευφημίας. Οι δύο περγαμηνές στις όποιες ήσαν γραμμένοι οι ορισμοί της Πίστεως όσον άφορα το Πρόσωπο του Χριστού, αποτέθηκαν έτσι πάνω στο στήθος της αγίας και αφού σφραγίστηκε η λάρνακα οι Πατέρες άρχισαν να προσεύχονται. Μετά οκτώ ημέρες μετέβησαν όλοι στο μαρτύριο και ανοίγοντας τη λάρνακα ανακάλυψαν με θαυμασμό την αγία να κρατά στην αγκαλιά της τον ορθόδοξο τόμο, σαν να ήθελε να τον βάλει στην καρδιά της, ενώ ο τόμος των αιρετικών ήταν πεταμένος στα πόδια της. Μπροστά στη λαμπρή αύτη απόδειξη της αλήθειας, οι Ορθόδοξοι ανέπεμψαν ευχαριστίες στον Θεό και οι αιρετικοί αποδοκιμάστηκαν και ονειδίστηκαν από το πλήθος των πιστών.

Αναφερόνται εξάλλου και άλλα θαύματα που ενήργησαν τα τίμια λείψανα της αγίας Ευφημίας. Κατά τη διάρκεια περσικής επιδρομής, οι βάρβαροι εισέβαλαν στη Χαλκηδόνα κοι επεχείρησαν να καταστρέψουν διά πυρός τα τίμια λείψανα. Εκείνα όμως παρέμειναν άθικτα, ενώ από την τρύπα που άνοιξαν στη λάρνακα έτρεξε αίμα. Το θαύμα αυτό επαναλαμβανόταν αργότερα κατά καιρούς, θεραπεύοντας τους πιστούς που έρχονταν να συλλέξουν το αίμα της αγίας Ευφημίας. Συχνότερα όμως, ο τάφος της ανέδιδε ευωδία, δίνοντας μαρτυρία για την εύνοια που είχε αποκτήσει η αγία παρά τω Θεώ.

Για την προστασία τους από νέα βεβήλωση, τα τίμια λείψανα μεταφέρθηκαν στην Κωνσταντινούπολη, όπου αποτέθηκαν στο ναό της Αγίας Ευφημίας κοντά στο Ιπποδρόμιο. Κατά τους χρόνους του διωγμού του Κωνσταντίνου Ε΄ Κοπρωνύμου ο ναός της μετατράπηκε σε οπλοστάσιο, ένω τα τίμια λείψανα τα έριξαν στην θάλασσα και ξεβράστηκαν σε ακτή της Λήμνου όπου και συλλέχθηκαν από δύο ψαράδες. Ανευρέθησαν πάλι κατά τη βασιλεία της αυτοκράτειρας Ειρήνης και μεταφέρθηκαν με επισημότητα στη Βασιλεύουσα (796), όπου συνέχισαν να θαυματουργούν. Μετά από πολλές άλλες περιπέτειες τιμώνται σήμερα στον ναό του Οικουμενικού Πατριαρχείου στο Φανάρι.