Segundo uma antiga tradição, a Santa pertencia a uma das principais famílias de Roma, que acostumava vestir uma túnica de um tecido muito áspero e que tinha consagrado a Deus sua virgindade. Seus pais a comprometeram em matrimônio com um jovem chamado Valeriano, mas Cecília disse a este que ela tinha feito voto de virgindade e que se ele queria ver o anjo de Deus devia fazer-se cristão. Valeriano foi ensinado pelo Papa Urbano e foi batizado. As histórias antigas dizem que Cecília via seu anjo da guarda.

O prefeito de Roma, Almaquio, tinha proibido sepultar os cadáveres dos cristãos. Mas Valeriano e Tiburcio se dedicaram a sepultar todos os cadáveres de cristãos que encontravam. Por isso foram presos. Levados ante o prefeito, este lhes pediu que declarassem que adoravam Júpiter. Eles defenderam sua fé e morreram mártires. Em seguida a polícia prendeu Cecília e lhe exigiu que renunciasse à religião de Cristo. Ela declarou que preferia a morte que renegar a verdadeira religião. Então foi levada junto a um forno quente para sufocar com os terríveis gases que saíam dali, mas em vez de asfixiar-se ela cantava gozosa (possivelmente por isso a nomearam padroeira dos músicos). Visto que com este martírio não podiam acabar com ela, o cruel Almaquio mandou que lhe cortasse a cabeça. Em 1599 permitiram ao escultor Maderna ver o corpo incorrupto da Santa e ele fabricou uma estátua em mármore dela, que se conserva na igreja da Santa Cecília em Roma.