Un ingresso monumentale dovuto a F. Fuga dà accesso al vasto cortile piantato a giardino; un grande càntaro marmoreo antico è al centro della vasca rettangolare antistante la chiesa.
Fondata prima del V sec. su una casa romana, forse quella di S. Valeriano marito di S. Cecilia, patrizia romana martirizzata sotto Marc'Aurelio, fu rifatta da Pasquale I (817 - 824).
Nel XII sec. fu aggiunto il portico e il campanile. Fu restaurata nel 1725 e nel 1823, quindi alla fine dell'800 e nel 1955.
La facciata settecentesca del Fuga è preceduta da un portico che conserva le antiche colonne di granito rosa e di marmo africano che sorreggono l'architrave del XII sec. decorato da medaglioni musivi.
Sulla destra il grande campanile romanico del 1113.
Sotto il portico la tomba del cardinale Paolo Sfrondati di Carlo Maderno; intorno pietre tombali e reperti antichi.

     La chiesa è divisa in tre navate delle quali la mediana molto ampia poiché nel 1823 le colonne sono state incorporate, per motivi di statica, nei pilastri attuali.
Le navate hanno un carattere prettamente settecentesco dove prevalgono il bianco e l'oro degli stucchi; sulla volta un affresco di S. Conca, l'Apoteosi di S. Cecilia. Nel corridoio a destra una statua di S. Sebastiano di Lorenzo Lotti e si procede verso il calidarium dove, secondo la tradizione, S. Cecilia subì per tre giorni il martirio della soffocazione prima di essere decapitata. All'altare la Decapitazione della Santa di Guido Reni, di fronte, dello stesso autore, S. Cecilia e Valeriano. Nella navata centrale si apre a destra la Cappella dei Ponziani, la famiglia di santa Cecilia. Sulla volta un affresco della scuola del Pinturicchio, Dio Padre tra gli Evangelisti; alle pareti affreschi di Antonio da Viterbo.

     Nel presbiterio il ciborio di Arnolfo da Cambio; sotto l'altare la Statua di s. Cecilia di Carlo Maderno; nel catino dell'abside il grande mosaico di Pasquale I.
Da visitare anche la cripta e, se possibile, il convento.