Secondo la tradizione, Cecilia sarebbe nata da una nobile famiglia romana. Sposata al nobile Valeriano, gli avrebbe comunicato il suo voto di perpetua verginità, convertendo al cristianesimo il marito. Dopo la morte di Valeriano, il Prefetto della città, l'avrebbe fatta incarcerare e quindi decapitare.
Venne sepolta nelle catacombe di San Callisto.

E' del tutto incerto il motivo per cui Cecilia sarebbe diventata patrona della musica. In realtà, un esplicito collegamento tra Cecilia e la musica è documentato soltanto a partire dal tardo medioevo.
La spiegazione più plausibile sembra quella di un'errata interpretazione dell'antifona di introito della messa nella festa della santa. Il testo di tale canto sarebbe: "mentre suonavano gli strumenti musicali, la vergine Cecilia cantava nel suo cuore soltanto per il Signore, dicendo Signore, il mio cuore e il mio corpo siano immacolati affinchè io non sia confusa".

Per dare un senso al testo, tradizionalmente lo si riferiva al banchetto di nozze di Cecilia: mentre gli strumenti musicali (profani) suonavano, Cecilia cantava a Dio interiormente. Da qui il passo ad una interpretazione ancora più travisata era facile: Cecilia cantava a Dio...con l'accompagnamento dell'organo.

In realtà secondo i codici più antichi, gli organi non sarebbero strumenti musicali ma gli strumenti di tortura, e l'antifona descriverebbe Cecila che "tra gli strumenti di tortura incandescenti, cantava a Dio nel suo cuore". L'antifona non si riferirebbe dunque al banchetto di nozze, bensì al momento del martirio.

Dedicato alla santa, nel XIX secolo sorse il cosidetto Movimento Ceciliano, diffuso in Italia, Francia e Germania. Vi aderirono musicisti, liturgisti e altri studiosi, che intendevano restituire dignità alla musica liturgica. Sotto il nome di Santa Cecilia, sorsero scuole, associazioni e periodici.