Cecília era da nobre família dos Metelos, e era filha de um senador romano. Desde a infância a menina foi muito religiosa e, por decisão própria, fez voto secreto de virgindade. Os pais, acreditando que ela mudaria de ideia, deram-na em casamento, contra a vontade dela, a um jovem chamado Valeriano, também da nobreza romana. Ao receber a triste notícia, Cecília rezou pedindo proteção do seu anjo da guarda, de Maria e de Deus, para não romper com o voto. Após as núpcias, Cecília contou ao marido que era cristã e do seu compromisso de castidade. Disse ainda que para isso estava sob a guarda de um anjo. Valeriano ficou comovido com a sinceridade da esposa e prometeu cooperar, mas para isso queira ver esse anjo. Ela o aconselhou a visitar o Papa Urbano que, devido à perseguição, estava refugiado nas catacumbas. O jovem esposo foi acompanhado de seu irmão Tibúrcio, contudo ficou sabendo que antes era preciso acreditar na Palavra. Os dois ouviram uma longa pregação e no final se converteram e foram batizados. Valeriano cumpriu a promessa. Depois, um dia, ao chegar à casa, viu Cecília rezando e ao seu lado o anjo de guarda.
Turcius Almaquius, então prefeito de Roma, teve conhecimento da conversão dos dois irmãos, promovida por Cecília. Citou-os perante o tribunal e exigiu peremptoriamente que abandonassem, sob pena de morte, a religião que tinham abraçado. Os três foram presos, ela em sua casa, e os dois quando ajudavam a sepultar os corpos dos mártires nas catacumbas. Julgados, os dois se recusaram a renegar a fé e foram decapitados. O prefeito, de novo, falou com Cecília em consideração à família ilustre à qual pertencia e exigiu que abandonasse a religião, ameaçando-a de morte. Cecília negou-se e, nas termas de sua própria casa, foi colocada para morrer asfixiada pelos vapores, mas saiu ilesa. Foi então conduzida à decapitação. O carrasco a golpeou três vezes e, mesmo assim, sua cabeça permaneceu ligada ao corpo. Mortalmente ferida, ficou estendida no chão por três dias, durante os quais animou os cristãos, que foram vê-la, a não renegarem a fé. Ao Papa entregara todos os bens, com o pedido de distribuí-los entre os pobres. Os soldados pagãos que presenciaram tudo se converteram.
Seu corpo foi enterrado na Catacumba de São Calisto. As diversas invasões dos godos e lombardos fizeram com que os Papas resolvessem fazer a transladação de muitas relíquias de santos para igrejas de Roma no intuito de protegê-las. Foi assim que o corpo de Santa Cecília ficou por muito tempo escondido, sem que se soubesse de sua localização. No entanto, no terreno de seu antigo palácio foi construída a igreja de Santa Cecília, onde se celebrava sua memória no dia 22 de novembro, já no século VI.
Entre os anos 817 e 824, o Papa Pascoal I teve uma visão de Santa Cecília e seu túmulo foi encontrado. O corpo foi encontrado incorrupto e na mesma posição em que havia sido enterrado. Ao lado da Santa foram encontrados os corpos de Valeriano, Tibúrcio e Máximo. O ataúde de Santa Cecília foi fechado e colocado em uma urna de mármore sob o altar da igreja a ela dedicada.
Outros séculos se passaram. Em 1559, o cardeal Sfondrati ordenou nova abertura do esquife e o corpo foi encontrado ainda na mesma posição descrita pelo papa Pascoal I. O escultor italiano Stefano Maderno foi chamado para ver o corpo de Cecília e para reproduzi-lo em finíssimo mármore, em tamanho natural, na mesma posição em que o corpo da mártir se encontrava. É essa estátua que os peregrinos que visitam a cidade eterna podem admirar ainda hoje.
A devoção à sua santidade avançou pelos séculos sempre acompanhada de incontáveis milagres. Santa Cecília é uma das santas mais veneradas pelos fiéis cristãos, do Ocidente e do Oriente. O seu nome vem citado desde a antiguidade na Oração Eucarística I presente no missal romano e, a partir do século XV, é celebrada como padroeira da música e do canto sacro.