Tibúrcio, irmão de Valeriano, quis igualmente receber o baptismo. Pouco tempo depois, os dois irmãos, acusados de serem cristãos, foram decapitados. Cinco meses depois, Cecília era condenada à morte. Diz-se que quando foi decapitada, sua cabeça não caiu. Sobreviveu três dias, professando em silêncio a sua fé em um Deus uno e trino, com uma das mãos apontando um dedo e a outra, três.

O Papa Urbano mandou recolher o seu corpo e depositá-lo nas catacumbas de São Calisto, bem perto da cripta dos Papas, corria o ano de 225. Mais tarde, em 821, por ordem do Papa Paschal I foi transportado para a Basílica dedicada a Santa Cecília, construída sobre a antiga casa dos Cecílios, no Trastevere.

O ofício da Missa desta Santa traz, como antífona, um tópico das actas do martírio da Santa, no qual se diz que, no dia do seu matrimónio, a festa prosseguia, com vinhos, danças e muita música, quando Cecília ouvindo os músicos tocarem, terá elevado o seu coração a Deus entoando baixinho estas piedosas preces: "Fazei Senhor que o meu coração permaneça imaculado e não permitais que sejam frustradas as minhas esperanças" (Sl.118,80).
No texto das actas existe, porém, uma má interpretação, quando a imagem desta santa é invocada tocando um órgão. Isto sucede porque é dito: "Cantantibus ou canentibus organis ..." sendo mal traduzido, pois organa era um instrumento musical dos músicos que animavam as festas. Esta tradução errada, típica do século XIV, levou alguns pintores a interpretarem a frase como: “Cecília cantando com acompanhamento de órgão.”
De facto, os artistas da Renascença representam Santa Cecília com um instrumento musical nas mãos.
Daí, a tradição que Cecília tocasse harpa, tendo sido declarada padroeira dos músicos, que a celebram como sua Santa protectora no dia 22 de Novembro.