Fu una giovane romana, martire al tempo di Urbano I (222-230), il cui culto risale al V secolo. Secondo la tradizione fu una nobile fanciulla cristiana che la sera delle nozze rivelò a suo marito di essersi convertita al Cristianesimo, facendo voto di castità ed inducendo anche lui alla conversione. Venne uccisa con la decapitazione dopo suo marito Valeriano, il fratello del marito Tiburzio e Massimo.
Alla morte di questi, un certo Almachio volle impossessarsi dei beni dei due fratelli, mandò a prendere Cecilia, la interrogò e la condannò a morte, facendola immergere in liquidi bollenti, ma la donna ne uscì illesa. Si optò allora per la decapitazione, dopodiché la giovane sopravvisse tre giorni, durante i quali riuscì a donare tutti i suoi beni ai poveri e la sua casa alla Chiesa.
Mancando documenti scritti, si pensa che questa sia una leggenda e che comunque Cecilia non abbia subito il martirio. La giovane venne sepolta nelle Catacombe di S. Callisto, in un posto d'onore, accanto alla "Cripta dei Papi". Più tardi il Papa Pasquale I, grande devoto della Santa, ne trasferì il corpo nella cripta della basilica di Trastevere, a lei dedicata.
Alla fine del '500 il sarcofago venne aperto ed il corpo di Santa Cecilia apparve in uno stato di conservazione eccezionale, avvolto in un abito di seta e d'oro. Tornando alla tradizione popolare, si racconta che durante la cerimonia nuziale, "mentre risonava la musica, Cecilia in cuor suo cantava la sua preghiera". Questo episodio fece sì che la Santa venisse da allora considerata patrona dei musicisti.