A igreja foi construída por Pasquale I no início do século século, no local da casa do marido da santa, martirizada sob Marco Aurélio. Foi remodelada no século XVIII, quando o interior foi arranjado e a fachada do pátio foi construída, embora o friso de mosaico do pórtico e a torre do campanário sejam do século XII. No início da nave direita, um corredor com frescos de Paul Brill dá acesso ao caldário, onde se podem ver as antigas condutas termais, onde a santa terá sido exposta durante 3 dias aos vapores antes da tortura. O cibório gótico assinado por Arnolfo di Cambio em 1293 destaca-se no presbitério, sob o altar principal encontra-se a estátua de Santa Cecília de Stefano Maderno (1600), que a reproduziu como foi encontrada no túmulo em 1599, enquanto na bacia da abside se pode admirar um grande mosaico de cerca de 820. Uma escada leva ao coro das freiras, encostado à contra-fachada, com frescos pintados entre 1289 e 1293 por Pietro Cavallini com um extraordinário Juízo Final: encontrado em 1900, representa o exemplo mais significativo da pintura pré-Giotto. Nas caves, são visíveis as escavações da domus e a cripta.