Pochodząca prawdopodobnie z V wieku legenda głosi, że Cecylia żyła na przełomie II i III wieku w zamożnej rodzinie w Rzymie. Już we wczesnej młodości złożyła ślub czystości, toteż gdy rodzice wydali ją za mąż za pogańskiego młodzieńca Waleriana, w noc poślubną powiedziała mu o tym dodając, że strzeże jej potężny Anioł. Gdy Walerian chciał zobaczyć tego Anioła, Cecylia poradziła mu, by się ochrzcił. Poprosił więc papieża Urbana I (222-230) o chrzest, po czym ujrzał Anioła, który Cecylii i jemu nakładał na głowy wieńce z rajskich róż i lilii. Wkrótce potem ochrzcił się jego brat Tyburcjusz.

Całą trójka otaczała troskliwą opieką prześladowanych chrześcijan, aż w końcu sami zostali skazani na śmierć. Walerianowi i Tyburcjuszowi ścięto głowy, a Cecylię chciano udusić w gorącej kąpieli. Kiedy to się nie udało, kat na próżno usiłował trzema uderzeniami topora odciąć głowę świętej. Zmarła w trzy dni później, 22 listopada 230 r., na skutek odniesionych obrażeń.

Papież Urban kazał pochować Cecylię w centrum katakumb Kaliksta. W 821 r. na polecenie papieża Paschalisa I doczesne szczątki Cecylii przeniesiono do kościoła noszącego jej wezwanie na Zatybrzu, wzniesionego na fundamentach jej domu rodzinnego. Podczas przebudowy świątyni w 1599 r. znaleziono nietknięte zwłoki Cecylii, co uwiecznił w 1600 r. rzeźbiarz Stefano Maderna. Jego rzeźba, przedstawiająca leżącą św. Cecylię z zawiązanymi oczami i rękami, znajduje się do dziś w głównym ołtarzu kościoła na Zatybrzu, a jedna z pierwszych kopii - w katakumbach Kaliksta.

Od początku średniowiecza św. Cecylia jest patronką muzyki, muzyków, śpiewaków i budowniczych instrumentów, a także poetów. Ma to źródło w mylnym odczytaniu pochodzącej z VIII w. treści antyfony oficjum godzin ("Cantantibus organis Caecilia virgo in corde sua soli Deo decantabat dicens" - Gdy zabrzmiały instrumenty, w swoim sercu dziewica Cecylia śpiewała tylko Panu). Dlatego św. Cecylia przedstawiana jest w sztuce sakralnej m.in. przy organach, ale też z innymi instrumentami muzycznymi. Niekiedy w sztuce przedstawiana jest wraz z Walerianem, czasem też z ranami na szyi.

Ku jej czci powstawały bractwa i towarzystwa muzyczne: w 1584 r. powstało w Rzymie "Fraternitá dedi musici", których patronami była Matka Boska oraz święci Grzegorz i Cecylia. Kontynuacją tego bractwa jest istniejąca do dziś Akademia św. Cecylii. W Londynie istniało w latach 1785-1861 Caecilian Society. W 1868 r. bawarski muzyk Franz Xaver Witt założył w Bamberdze Ogólnoniemieckie Towarzystwo im. św. Cecylii, które kształci muzyków do pracy w kościele oraz wydaje literaturę i muzykę kościelną. Od 1870 r. towarzystwo to jest organizacją na prawie papieskim i od pewnego czasu ma siedzibę w Ratyzbonie jako "Cäciliednverband" troszcząc się - zgodnie z odnowionymi w 1991 r. statutami - o "sprawy muzyki kościelnej w duchu apostolstwa przez muzykę". Ponadto znane są utwory muzyczne - "ody ku czci św. Cecylii" - m.in. G.F. Händla. Z uroczystością Cecylii wiązano festiwale muzyczne od XVI w. we Francji, od XVII w. - w Anglii i od XVIII w. - w Niemczech.

W sztuce polskiej postać św. Cecylii występuje rzadko. Jest to m.in. posążek renesansowy w kościele św. Idziego w Krakowie, namalowany przez Guercina obraz z XVII w. w katedrze poznańskiej, czy XVII-wieczny obraz ołtarzowy w kościele parafialnym w Janowie Lubelskim, który przedstawia scenę koronowania Cecylii i Waleriana wiankami róż. Pielęgnowanych jest natomiast wiele wydarzeń muzyki sakralnej, którym patronuje św. Cecylia.