O życiu Cecylii wiemy niewiele. Podstawowym dokumentem, którym dysponujemy, jest pochodzący z V wieku opis jej męczeńskiej śmierci.

Cecylia żyła najprawdopodobniej na przełomie II i III wieku, pochodziła z zamożnej rodziny rzymskiej. Jak podaje tradycja, w młodości złożyła ślub czystości. Kiedy miała zostać wydana za mąż za pogańskiego młodzieńca Waleriana, powiedziała mu o swoim przyrzeczeniu i dodała, że strzeże jej potężny Anioł. Gdy Walerian chciał zobaczyć tego Anioła, Cecylia poradziła mu, by się ochrzcił. Zaprowadził do go papieża Urbana I, który udzielił mu chrztu. Po powrocie do domu Cecylii, młodzieniec zobaczył ją zatopioną w modlitwie, a przy niej stojącego anioła, który trzymał w ręku dwa wieńce - z róż i lilii. Anioł włożył je na głowę Waleriana i Cecylii. Walerian przyprowadził do papieża także swego brata, Tyburcjusza, który również przyjął chrzest.

Wkrótce potem wybuchło prześladowanie. Skazano na śmierć Waleriana i Tyburcjusza. Pojmano także Cecylię. Sędzia, urzeczony jej urodą, próbował zmusić ją do wyparcia się wiary. W końcu rozkazał powiesić ją w łaźni nad ogniem i dusić ją parą. Kiedy to się nie udało, namiestnik kazał ściąć ją mieczem. Kat trzy razy ją uderzył, ale nie zdołał pozbawić jej życia. Krew płynącą z jej szyi zebrali chrześcijanie jako najcenniejszą relikwię. Po trzech dniach konania Cecylia oddała Bogu ducha.

Pochowano ją w katakumbach Kaliksta. Ok. 820 roku odnaleziono jej ciało, zachowane w nienaruszonym stanie, i na polecenie papieża Paschalisa I przeniesiono je do kościoła jej imienia na Zatybrzu, który został wzniesiony na fundamentach jej domu rodzinnego.

Od początku średniowiecza św. Cecylia jest patronką muzyki, muzyków, śpiewaków i budowniczych instrumentów.