La pala rappresenta a figura intera l'immagine di sant'Eleuterio, contro uno sfondo neutro dal colore bruno. Un'aureola dalla luce soffusa circonda la testa dai morbidi capelli ricciuti, leggermente inclinata e con gli occhi rivolti verso l'alto, in espressione estatica.
Il colore rosso chiaro della veste decorata con ricami dorati e cordoni conferisce una calda vivacità al dipinto, impreziosito dal bagliore lucente del turibolo che il santo tiene fra le mani. La tela reca in calce un'iscrizione con la data 1578, mentre sul libro, in basso a sinistra, sopra il quale è la navicella dell'incenso, si legge la scritta "MATRICOLA". 

La tela fu segnalata nel 1779 da Baldarini, che la ricorda insieme ad altri cinque dipinti assegnati ad "autori mediocri": opinione confermata anche da Magrini nel 1848, che aveva peraltro confuso il diacono martire con san Vincenzo. Errore che sarà poi emendato nella letteratura artistica del Novecento con Goli (1944), che però continua a ritenere mediocre la qualità dell'opera.
L'assegnazione a Pietro Della Vecchia, con una cronologia fra gli anni 1676 e 1678, si stabilizza solo nel secondo Novecento, grazie al contributo di Franco Barbieri, su indicazione di Renato Cevese. 

Il dipinto, insieme agli altri restaurati, aveva subito  i danni del bombardamento del 1944 abbattutosi sulla chiesa. Le opere danneggiate furono allora oggetto di un restauro d'emergenza, incompleto e sommario, effettuato presso il laboratorio delle Gallerie dell'Accademia, durante il quale furono effettuati il risarcimento delle lacerazioni e dei buchi con garze e pezzi di tela grossolani nonché una rifoderatura con due tele di lino.
Il recente intervento, ovviando ad alcuni danni insorti con il restauro degli anni Quaranta, è consistito principalmente in un'operazione di pulitura, comprendente la rimozione, lunga e laboriosissima, delle precedenti ridipinture, seguita dalla delicata fase della reintegrazione pittorica, eseguita a seconda delle tipologie di lacuna a rigatino, a puntinatura o a velatura, cercando di restituire accettabile leggibilità e godimento estetico a ogni singolo dipinto oltreché equilibrio visivo all'intero complesso.

Redazione Restituzioni