L'église a été érigée par Pascal Ier au début du siècle, sur le site de la maison du mari de la sainte, martyrisée sous Marc Aurèle. Elle fut remaniée au XVIIIe siècle, lorsque l'intérieur fut aménagé et la façade de la cour construite, bien que la frise en mosaïque du portique et le clocher datent du XIIe siècle. Au début de la nef droite, un couloir décoré de fresques de Paul Brill donne accès au caldarium, où l'on peut voir les anciennes conduites thermales, où la sainte aurait été exposée pendant 3 jours aux vapeurs avant le supplice. Le ciborium gothique signé par Arnolfo di Cambio en 1293 se distingue dans le presbytère, sous le maître-autel se trouve la statue de Sainte-Cécile de Stefano Maderno (1600), qui la reproduisit telle qu'elle fut retrouvée dans la tombe en 1599, tandis que dans le bassin de l'abside, on peut admirer une grande mosaïque datant d'environ 820. Un escalier mène au chœur des religieuses, adossé à la contre-façade, décoré de fresques entre 1289 et 1293 par Pietro Cavallini avec un extraordinaire Jugement dernier: retrouvé en 1900, il représente l'exemple le plus significatif de la peinture pré-giottesque. Dans les sous-sols, on peut voir les fouilles de la domus et de la crypte.