Cecylia jest jedną z najsłynniejszych męczennic Kościoła Rzymskiego. Niestety, o świętej tak bardzo popularnej i czczonej w Kościele mamy bardzo mało informacji historycznych. Nie wiemy nawet, kiedy żyła i kiedy poniosła śmierć męczeńską. W pierwszych wiekach nie przywiązywano wagi ani do chronologii, ani do ścisłych danych biograficznych. Dlatego dziś trudno nam odróżnić w opisie jej męczeństwa fakty historyczne od legendy.
Zasadniczym dokumentem, którym dysponujemy, 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 olśniewająco piękna. Według starej tradycji z miłości do Chrystusa złożyła ślub czystości, chociaż rodzice obiecali już jej rękę również dobrze urodzonemu poganinowi Walerianowi. W przeddzień ślubu Cecylia opowiedziała narzeczonemu o swym postanowieniu i o wierze chrześcijańskiej. Gdy Walerian chciał ujrzeć anioła, który miał stać na straży czystości Cecylii, ta odpowiedziała: „Ty nie znasz prawego Boga; dopóki nie przyjmiesz chrztu, nie będziesz go mógł ujrzeć”. W ten sposób pozyskała Waleriana dla Chrystusa. Zaprowadziła go w tajemnicy do papieża św. Urbana I. Ten pouczył Waleriana o prawdach wiary i udzielił mu chrztu. Gdy wrócił do domu Cecylii, ujrzał ją zatopioną w modlitwie, a przy niej stojącego w jasności anioła w postaci młodzieńca, który trzymał w ręku dwa wieńce – z róż i lilii. Anioł włożył je na głowę Waleriana i Cecylii, mówiąc: „Te wieńce przez zachowanie czystości zachowajcie nietknięte, bom je wam od Boga przyniósł”.
Walerian przyprowadził do papieża także swego brata, Tyburcjusza. On również przyjął chrzest. Gdy wszedł do mieszkania Waleriana, uderzyła go przedziwna woń róż i lilii. Walerian wyjawił mu znaczenie tego zapachu.
Wkrótce potem wybuchło prześladowanie. Skazano na śmierć Waleriana i Tyburcjusza. Kiedy namiestnik-sędzia, Almachiusz, dowiedział się, że Cecylia jest chrześcijanką i że zarówno własny majątek, jak i majątek Waleriana rozdała ubogim, kazał ją aresztować. Żołnierze, oczarowani jej pięknością, błagali ją, by nie narażała swego młodego życia i wyrzekła się wiary. Cecylia odpowiedziała jednak: „Nie lękajcie się spełnić nakazu, bowiem moją młodość doczesną zamienicie na wieczną młodość u mego oblubieńca, Chrystusa”. Pod wpływem jej odpowiedzi miało nawrócić się 400 żołnierzy, których przyprowadziła do św. Urbana, by udzielił im chrztu.
Sędzia, urzeczony jej urodą, błagał ją również, by miała wzgląd na swoją młodość. Gdy Cecylia nie ustępowała, próbował zmusić ją do wyparcia się wiary stosując męki. Kazał zawiesić ją nad ogniem w łaźni i dusić ją parą. Cecylia zaś cudem Bożym zamiast duszącego dymu czuła orzeźwiający ją powiew wiatru. Rozgniewany namiestnik kazał ją wtedy ściąć mieczem. Kat wszakże na widok tak pięknej i młodej osoby nie miał odwagi jej zabić. Trzy razy ją uderzył, ale nie zdołał pozbawić jej życia. Płynącą z jej szyi krew zebrali ze czcią chrześcijanie jako najcenniejszą relikwię. Po trzech dniach konania Cecylia oddała Bogu ducha.
Ciało św. Cecylii, w nienaruszonym stanie, w pozycji leżącej, lekko pochylone ku ziemi odkryto dopiero w 824 r. w katakumbach św. Kaliksta, a następnie na polecenie papieża św. Paschalisa I złożono w bazylice jej poświęconej na Zatybrzu. Bazylika ta stoi na miejscu, w którym Cecylia zamieszkała niegdyś ze swym mężem. Wybudowano ją w IV w.
Imię św. Cecylii wymieniane jest w Kanonie Rzymskim. Jest patronką chórzystów, lutników, muzyków, organistów, zespołów wokalno-muzycznych. Legenda bowiem głosi, że grała na organach. Organy wodne były znane wówczas w Rzymie, ale były bardzo wielką rzadkością (otrzymał je np. cesarz Neron w darze ze Wschodu). Nie wiadomo, czy Cecylia mogła grać na organach – prawdopodobne jest jednak, że grała na innym instrumencie. Ówczesne panie rzymskie kształciły się często w grze na harfie.