Zasadniczym dokumentem o życiu Cecylii jest pochodzący z V w. opis jej męczeńskiej śmierci. Według niego, Cecylia była dobrze urodzoną Rzymianką. Przyszła na świat na początku III w. Była ponoć bardzo piękna. Jako chrześcijanka złożyła ślub czystości i pomimo, że zmuszono ją do małżeństwa z ówczesnym poganinem Walerianem, nie tylko nie złamała ślubu, lecz jeszcze nawróciła swego męża i jego brata, Tyburcjusza. Z powodu wiary najpierw ścięto Waleriana i jego brata, a następnie aresztowano również Cecylię. Odmówiła ona oddania czci bożkom, została więc zamknięta w caldarium łaźni, a w piecu podgrzewającym wodę rozpalono jak największy ogień, by ją udusić. Ponieważ Cecylia przeżyła, postanowiono ją ściąć. Pomimo otrzymania trzech ciosów w szyję nie udało odciąć się jej głowy, Cecylia zmarła dopiero po trzech dniach. Śmierć Cecylii, Waleriana i Tyburcjusza jest datowana na okres panowania Aleksandra Sewera.
Ciało Cecylii odnaleziono, w nienaruszonym stanie, w 822 roku w katakumbach św. Kaliksta i przeniesiono je do bazyliki św. Cecylii na Zatybrzu, wybudowanej już w IV wieku na miejscu domu świętej.
W 1599 roku dokonano identyfikacji relikwii męczennicy. W sarkofagu odnaleziono cyprysową skrzynię, a w niej nietknięte przez czas ciało leżące na prawym boku.
Jest patronką muzyki kościelnej, chórzystów, lutników, muzyków, organistów, zespołów wokalno-muzycznych.
