La chiesa venne eretta da Pasquale I all'inizio del sec. IX, sul luogo della casa del marito della santa, martirizzata sotto Marco Aurelio. Fu rimaneggiata nel '700, quando venne sistemato l'interno e realizzata la facciata sul cortile, anche se il fregio a mosaico del portico e il campanile sono però del sec. XII. All’inizio della navata destra, un corridoio affrescato da Paul Brill dà accesso al calidarium, in cui si possono notare le antiche condutture termali, dove la santa sarebbe stata esposta per 3 giorni ai vapori prima del supplizio. Il ciborio gotico firmato da Arnolfo di Cambio nel 1293 risalta nel presbiterio, sotto l'altare maggiore si trova la statua di S. Cecilia di Stefano Maderno (1600), che la riprodusse come fu ritrovata nella tomba nel 1599, mentre nel catino dell'abside si può ammirare un grande mosaico dell'820 circa. Una scala introduce al coro delle Monache, addossato alla controfacciata, affrescato tra il 1289 e il 1293 da Pietro Cavallini con uno straordinario Giudizio universale: ritrovato nel 1900, rappresenta l'esemplare più significativo di pittura pre giottesca Nei sotterranei sono visibili gli scavi della domus e la cripta.
