Según una antigua tradición, la santa pertenecía a una de las principales familias de Roma, que acostumbraba vestir una túnica de tela muy áspera y que había consagrado a Dios su virginidad. Sus padres la comprometieron en matrimonio con un joven llamado Valeriano, pero Cecilia le dijo a éste que ella había hecho voto de virginidad y que si él quería ver al ángel de Dios debía hacerse cristiano. Valeriano se hizo instruir por el Papa Urbano y fue bautizado. Las historias antiguas dicen que Cecilia veía a su ángel de la guarda.
El alcalde de Roma, Almaquio, había prohibido sepultar los cadáveres de los cristianos. Pero Valeriano y Tiburcio se dedicaron a sepultar todos los cadáveres de cristianos que encontraban. Por eso fueron arrestados. Llevados ante el alcalde, éste les pidió que declararan que adoraban a Júpiter. Ellos, defendieron su fe y murieron mártires. En seguida la policía arrestó a Cecilia y le exigió que renunciara a la religión de Cristo. Ella declaró que prefería la muerte antes que renegar de la verdadera religión. Entonces fue llevada junto a un horno caliente para tratar de sofocarle con los terribles gases que salían de allí, pero en vez de asfixiarse ella cantaba gozosa (quizás por eso la han nombrado patrona de los músicos). Visto que con este martirio no podían acabar con ella, el cruel Almaquio mandó que le cortaran la cabeza. En 1599 permitieron al escultor Maderna ver el cuerpo incorrupto de la santa y él fabricó una estatua en mármol de ella, la que se conserva en la iglesia de Santa Cecilia en Roma.