Las actas de la Santa la presentan como integrante de una familia noble de Roma, que se habría convertido al cristianismo durante su infancia. Cecilia, como lo hicieron numerosas mujeres cristianas de los primeros siglos, consagró su virginidad a Dios. Aún así, fue entregada en matrimonio por su padre, quien la casó con un joven pagano llamado Valeriano.
La noche de bodas, Cecilia le dijo a Valeriano: "Tengo que comunicarte un secreto. Has de saber que un ángel del Señor vela por mí. Si me tocas como si fuera yo tu esposa, el ángel se enfurecerá y tú sufrirás las consecuencias; en cambio si me respetas, el ángel te amará como me ama a mí”.
El esposo le pidió que le mostrara al ángel y que haría lo que ella le pidiera. Cecilia le dijo que si él creía en el Dios vivo y verdadero y recibía el bautismo, entonces vería al ángel. Valeriano fue a buscar al obispo de Roma, Papa Urbano, quien lo instruyó en la fe y lo bautizó. Tiempo después, el ángel se le apareció a ambos y les puso una guirnalda de rosas y lirios sobre la cabeza como símbolo de su unión espiritual. El hermano de Valeriano, Tiburcio, contagiado de la alegría de los jóvenes esposos se acercaría a ellos y también se haría cristiano.
Lamentablemente, la persecución contra los cristianos alcanzaría a Valeriano y Tiburcio, quienes murieron martirizados por órdenes del prefecto Turcio Almaquio. El relato prosigue señalando que Máximo, funcionario del prefecto, fue designado para ejecutar la sentencia pero que se negó a cumplirla porque se había convertido al cristianismo. El prefecto entonces ordenó que fuera ejecutado junto a los hermanos. Cecilia recogió los restos de los tres hombres y los enterró en una tumba cristiana.
No pasaría mucho tiempo para que Cecilia también fuese víctima de la persecución y condenada a muerte. Se le ordenó rendir culto públicamente a los dioses paganos pero se negó. Por ello fue condenada a morir por ahogamiento en la fuente de baño de su propia casa. Como no pudieron matarla, hirvieron agua y la colocaron en ella, pero eso tampoco funcionó. El Prefecto entonces pidió que fuese degollada. El relato da cuenta de que el ejecutor dejó caer su espada tres veces sobre su cuello sin tener éxito. Asustado, el verdugo huyó dejando a la joven virgen bañada en su propia sangre. Se dice que Cecilia vivió tres días más. El papa Urbano I enterró su cuerpo en la catacumba del papa Calixto I.
En marzo de 2014, el Papa Francisco se refirió a los mártires de los primeros tiempos cristianos, como Santa Cecilia, y dijo que “llevaban siempre con ellos el Evangelio: ellos llevaban el Evangelio; ella, Cecilia llevaba el Evangelio. Porque es precisamente nuestro primer alimento, es la Palabra de Jesús, lo que nutre nuestra fe”.
En Trastévere, Roma, se edificó la Basílica de Santa Cecilia en el siglo V. Allí actualmente se encuentra la famosa estatua de tamaño natural y del escultor Maderna, que muestra a la Santa como si estuviera dormida, recostada del lado derecho.
