Kult świętej rozpowszechnił się w IV wieku, lecz, podobnie jak w przypadku innych wczesnochrześcijańskich męczenniczek (np. św. Agnieszki), również o tej wiemy niewiele (kult męczenników). Sytuacja taka stymulowała powstawanie licznych apokryficznych żywotów Cecylii, a legendy osnuwające jej postać narastały w Kościele rzymskim z wieku na wiek. Już w V stuleciu pojawiła się jej pierwsza vita, ale najwięcej czerpano z XIII-wiecznej Złotej legendy Jakuba de Voragine. Wiele podań ukazuje Celestynę jako córkę patrycjuszy i oddaną wyznawczynię Chrystusa, młodocianą dziewicę urodzoną około 200 roku, która złożyła śluby czystości. Nakłaniana przez rodziców do zamążpójścia, w końcu uległa ich namowom. Zanim jednak poślubiła młodzieńca o imieniu Walerian, przekonała go do przyjęcia wiary chrześcijańskiej, co też uczynił, podobnie jak jego brat Tyburcjusz. Ponoć chrztu udzielić miał im papież Urban I. Niedługo potem nastąpiły prześladowania chrześcijan, a cała trójka z oddaniem zajmowała się grzebaniem jego ofiar. Co prawda nie mamy informacji o pogromach chrześcijan w tym czasie w Rzymie, niemniej legenda podpowiada, że za ten miłosierny czyn, czyli pochówek, straceni zostali dwaj mężczyźni, a wtrącona do więzienia Cecylia hardo opierała się namowom, by odstąpić od wiary. Gdy perswazje nie pomogły, poddano ją wymyślnym torturom – próbowano ją udusić we własnej łaźni parą i dymem, co niektórzy łączyli z gotowaniem jej w kotle. Gdy proceder ten nie przyniósł rezultatu, oprawcy trzykrotnie zadawali jej ciosy w szyję, ale i one nie spowodowały śmierci. Czwarty cios był według prawa rzymskiego niedopuszczalny, dlatego Cecylia zmarła wskutek wykrwawienia.

Pochowana została przez Urbana I w katakumbach Kaliksta, obok „krypty papieży”. Na miejscu jej domu rodzinnego, będącego równocześnie miejscem kaźni, powstać miała poświęcona przez papieża mała świątynia.

Przez wieki nie zajmowano się Cecylią, aż do IX stulecia, gdy ambitny i przedsiębiorczy papież Paschalis I postanowił odnaleźć jej ciało i złożyć je w rozbudowywanym przez siebie kościele na Zatybrzu. Jej zwłok szukano długo, a w ich odnalezieniu pomógł sam papież, któremu we śnie ukazała się święta zachęcająca go do dalszych poszukiwań. Wreszcie natrafiono na jej grób, a rozpoznano ją, jak donoszono, po ciosach miecza na szyi, złocistej sukni i włosienicy, którą miała na sobie. Szczątki zamknięto w sarkofagu i złożono pod ołtarzem absydy, którą zdobi ufundowana przez Paschalisa wspaniała mozaika. Św. Cecylia w protekcyjny sposób obejmuje na niej tegoż papieża, zapewne zapewniając go w ten sposób o swojej przychylności.

Najważniejszą część doczesnych szczątków męczenniczki (głowę) zabrano jednak na Lateran, gdzie znalazła miejsce obok innych znaczących relikwii. I wydawałoby się, że tu kończy się historia św. Cecylii i jej świętych szczątków, ale nie. Pod koniec XVI stulecia inny, równie ambitny i przedsiębiorczy duchowny – kardynał tytularny kościoła św. Cecylii Paolo Sfondrati podjął się ponownie remontu świątyni. Pragnąc nadać swemu przedsięwzięciu odpowiednią oprawę i wskrzesić ducha wiary wśród mieszkańców Rzymu, doniósł o cudzie. Oto przy otwieraniu średniowiecznego sarkofagu św. Cecylii nielicznemu gronu obecnych ukazała się męczenniczka w nieskazitelnej, nienaruszonej od stuleci ziemskiej postaci. A co z laterańską głową? – moglibyśmy zapytać. Miesiąc po tym wydarzeniu w ołtarzu pojawił się wspaniały posąg świętej dłuta młodego i mało znanego artysty – Stefana Maderno. Zlecono mu odtworzenie w marmurze tego, co opowiedzieć miał mu kardynał, gdyż sam artysta wydawał się niegodny dostąpienia zaszczytu zobaczenia świętej trumny. W jego rzeźbie Cecylia wygląda jak żywa (Posąg św. Cecylii Maderny). O jej męczeństwie świadczą jedynie ślady na szyi. Leży na boku z rękami wyciągniętymi wzdłuż tułowia i palcami wskazującymi na tajemny przekaz. Jak chcą interpretatorzy tego dzieła, trzy palce prawej dłoni świętej symbolizują Trójcę Świętą, a jeden palec lewej dłoni – Boga. Nie widzimy jej twarzy, gdyż Cecylia odwrócona jest od patrzącego, co jeszcze zwiększa dramaturgię tego pięknego wczesnobarokowego posągu.

Bez wątpienia należy przyznać, że oczekiwania kardynała się spełniły, dziś powiedzielibyśmy, że potrafił nadać wydarzeniu wymiar medialny – do kościoła na Zatybrzu ciągnęły pielgrzymki wiernych. Świadek tego wydarzenia, Antonio Bosio, opisuje tłum ludzi wypełniający atrium dziedzińca przedkościelnego, na który napierało morze wiernych zebranych na mostach i placach prowadzących do tego miejsca. Mdlejące kobiety, ludzie leżący krzyżem, płacz, spazmy były tak powszechne, że ściągnięto Gwardię Szwajcarską, aby zapanowała nad zjawiskiem masowego uczestniczenia w cudzie.

Tyle legendy, a jak wygląda prawda historyczna, jeśli o takiej w ogóle możemy mówić? Cecylia być może żyła na przełomie II i III wieku i pochodziła ze znanego rodu Cecyliuszy, którzy w miejscu, gdzie dziś znajduje się kościół, mieli tzw. insulae (czynszówki) i być może w jednej z nich udostępniano pomieszczenia na spotkania gminy chrześcijańskiej. Badania archeologiczne nie dostarczyły bowiem żadnych informacji o mającym znajdować się tam patrycjuszowskim domu, ani o miejscu kultu. Najpewniej imię patronki zaczerpnięto od fundatorki świątyni z V wieku. Wtedy też powstała rozbudzająca wyobraźnię legenda o Cecylii męczenniczce. Na VI wiek datowany jest jej pierwszy wizerunek (Rawenna, Sant’Apollinare Nuovo), a w VII wieku jej grób w Rzymie otoczono szczególnym kultem.

Sceny męczeństwa Cecylii stosunkowo późno zagościły w sztuce europejskiej. Początkowo przedstawiana była w momencie składania jej do grobu albo jako asystująca męczennica w gronie najważniejszych świętych wczesnochrześcijańskich. Na nowo odkryli ją malarze baroku, tym razem eksponując jej muzyczne talenty. W związku z tym, że została patronką muzyki i muzyków, najczęściej przedstawiano ją z instrumentami muzycznymi, przede wszystkim z lutnią, instrumentem o delikatnym brzmieniu, bardzo cenionym w czasach renesansu i baroku, ale też z organami, o dziwo, wynalezionymi ponad dwa wieki po legendarnej śmierci męczenniczki. I tak na potrzeby prywatnych zleceniodawców ukazywano ją z różnymi instrumentami, dla potrzeb kultowych często też w momencie kaźni albo dostępowania świętości. W wielkim wydaniu jej temat zainspirował rokokowego malarza i freskanta o nazwisku Sebastiano Conca, który około 1725 roku sceną jej apoteozy ozdobił sklepienie kościoła Santa Cecilia na Zatybrzu.

Skąd jednak to połączenie muzyki ze świętą Cecylią? Powinowactwo to zrodziło się dopiero w późnym średniowieczu, gdy okrzyknięta została patronką muzyki kościelnej. Według Złotej legendy Cecylia uwielbiała muzykę i gdy ją słyszała, „w sercu śpiewała Panu”. Jedni uważają, że skojarzenie to zrodziło się z błędnie tłumaczonych wersetów jej passio, według których Cecylia w trakcie swego wesela grać miała na cześć Pana na organach. Według innych akapit dotyczący jej wesela odnosił się do śpiewu Cecylii, który zaintonowała na cześć Chrystusa, gdy tylko usłyszała weselną muzykę. Tak czy inaczej, uważana jest za patronkę muzyki, muzyków i poetów. Cieszyła się popularnością nie tylko wśród malarzy i rzeźbiarzy – znakomite kompozycje muzyczne poświęcili jej Henry Purcell, Georg Friedrich Haendel czy Josef Haydn.