É provável que tenha sido martirizada entre 176 e 180 d.C., no império de Marco Aurélio. Escavações arqueológicas não deixam dúvidas sobre sua existência, mas sua história só foi registrada no século V, na narrativa Paixão de Santa Cecília. Ela é a santa da Igreja Católica que mais tem basílicas em Roma e uma das mais veneradas da Idade Média, além de ser a primeira santa encontrada com corpo incorrupto, em 1599, mesmo depois de tantos séculos.

Acredita-se que Cecília seria da 'nobre família romana dos Metelos, filha de senador romano e cristã desde a infância'. Foi dada em casamento, contra a vontade, a um jovem chamado Valeriano, a quem disse que havia dedicado sua virgindade a Deus. Este, impressionado com as declarações da noiva, converteu-se ao Cristianismo e recebeu o batismo na mesma noite, conseguindo ainda a conversão do irmão Tibúrcio. O prefeito de Roma, Turcius Almachius, sabedor da conversão dos irmãos, ameaçou-os de morte se não abandonassem a nova religião, e como estes mantivessem a fé foram decapitados.

Cecília também foi chamada ao tribunal, intimada a revelar onde estavam escondidos os tesouros dos dois irmãos sentenciados, e respondeu que estavam bem guardados, sem deixar perceber ao tirano que tais riquezas já estavam nas mãos dos pobres. Turcius Almachos, cientificado depois deste fato, enfureceu-se e ordenou que Cecília rendesse homenagens aos deuses, mas lá ela falou com tanta conviceção aos soldados sobre a beleza da religião cristã que estes prometeram abandonar o culto dos deuses. O tirano mandou trancá-la na instalação balneária de seu próprio palacete e asfixiada pelos vapores d'água, mas esta foi milagrosamente protegida do calor intolerável, nada sofrendo.

Condenada à decapitação, o algoz vibrou três golpes sem conseguir separar a cabeça do tronco. Mortalmente ferida, ficou por terra e assim ficou três dias. Aos cristãos que a vinham visitar, dava bons e caridosos conselhos. Entregou todos os bens ao papa, para que fossem distribuídos aos pobres, e pediu que sua casa fosse transformada em igreja, o que foi feito logo após. Ela foi enterrada na Catacumba de São Calisto.