Lucie vivait à Syracuse avec sa mère Eutychie. Elle vénérait depuis son enfance le Christ et la vierge martyre sicilienne sainte Agathe. Sa mère souffrait d'une inflammation des entrailles et de pertes de sang, sans guérison depuis quatre ans. Lucie décida un jour de conduire celle-ci devant le tombeau d'Agathe, à Catane, et de lui demander la guérison. Sainte Agathe apparut la nuit suivante à Lucie et lui déclara : « Vierge Lucie, ma sœur, pourquoi viens-tu me demander ce que tu pourras bientôt accorder toi-même à ta mère ? Comme j'ai été établie gardienne de la ville de Catane, tu seras établie gardienne de la ville de Syracuse. ». Le lendemain, Eutychie recouvra la santé. À la suite de cette guérison, Lucie demanda à sa mère la permission de distribuer aux pauvres tout ce qui lui revenait de l'héritage de son père, ce qu'Eutychie accorda. Toutes deux se mirent alors à donner chaque jour aux pauvres tout ce qu'elles possédaient. De plus, Lucie annonça à sa mère qu'elle avait depuis l'enfance fait secrètement le vœu d'une virginité perpétuelle.
Mais avant d'avoir appris le vœu de chasteté de sa fille, Eutychie avait promis Lucie à un jeune homme. Il entra dans une violente colère quand il apprit que sa fiancée voulait rester vierge et qu'elle vendait toute la fortune qu'il avait convoitée, pour la distribuer aux malheureux. Il alla donc dénoncer sa fiancée au consul Pascasius, comme ennemie des divinités de l'Empire. La persécution de Dioclétien faisait alors rage et le juge accueillit avec joie cette dénonciation.
Lucie fut alors sommée de renoncer à sa foi chrétienne. Devant le refus de la jeune vierge, le consul Pascasius donne l'ordre de traîner Lucie dans un lupanar afin de la faire violer par des débauchés. Mais le Saint-Esprit intervient, et rend le corps de Lucie parfaitement immobile et intransportable. Même avec un attelage de mille hommes et mille paires de bœufs, on ne peut la déplacer. Pris de fureur, Pascasius fait alors verser sur elle de la poix, de la résine et de l'huile bouillantes, puis la fait entourer d'un bûcher auquel on met le feu. Mais les flammes ne lui font rien et elle continue à chanter dans le feu les louanges du Christ. Alors on lui enfonce une épée dans la gorge, mais elle ne meurt pas tout de suite. Un prêtre vient lui porter la communion, après quoi seulement elle rend l'âme vers 304-310.
D'autres sources précisent qu'on lui aurait arraché les yeux, ou encore que, pour toute réponse à son fiancé qui menaçait de la dénoncer, elle se les soit arrachés elle-même, et les lui ait envoyés dans une boîte. Suite à quoi, la Vierge serait venue lui en apporter de plus beaux encore. C'est la raison pour laquelle elle est fréquemment invoquée pour guérir les maladies oculaires, et représentée par les peintres portant ses yeux sur un plateau ou dans une coupe. D'autres ont cependant recours à elle contre les maux de gorge.
Les reliques de sainte Lucie, après avoir été transportées à Constantinople par les Byzantins, sont depuis la chute de la ville, à Venise, dans l'église San Geremia. Quelques fragments ont été rapportés à Syracuse.
Sainte Lucie de Syracuse est invoquée contre les maladies des yeux et les hémorragies. Elle est la patronne des aveugles, des électriciens et des oculistes.