La basilica sorge sulle fondamenta di una casa romana, tuttora visibile, che la tradizione vuole essere quella della famiglia di Cecilia, e che scavi recentissimi hanno rivelato essere stata prestissimo adibita al culto cristiano, con tracce di un raro fonte battesimale, il che testimonia dell'importanza del luogo di culto cristiano fin dalla tarda antichità, luogo di culto la cui prima menzione risale peraltro al 499. La costruzione della basilica ancor oggi visibile è opera di Pasquale I (817-824), che la fece splendidamente decorare, mentre il portico, il campanile e una parte del convento sono opera di Pasquale II (1099-1118). Una seconda, ricca fase decorativa dell'edificio si ebbe intorno al 1290, con gli affreschi di Pietro Cavallini e il ciborio di Arnolfo di Cambio. Ulteriori restauri si ebbero nel quattrocento e nel cinquecento, oltre al ritrovamento sensazionale all'epoca, del corpo della santa nel 1599, su cui ci soffermeremo più avanti. Una forte modifica dell'interno fu effettuata nel 1724, ma soprattutto lasciò il segno l'intervento del 1823, quando le colonne delle navate, per motivi statici, furono racchiuse in pilastri in muratura, alterandogli equilibri spaziali dell'interno. A cavallo fra l'ottocento e il novecento scavi e restauri hanno rimesso in luce la casa romana sottostante e gli affreschi del Cavallini. Sulla piazza di S. Cecilia si affaccia il monumentale ingresso settecentesco al quadriportico, dubbiosamente attribuito a Ferdinando Fuga; il quadriportico originario di accesso alla chiesa è in realtà oggi un bel giardino al centro del quale è stato collocato un grande vaso romano. Gli edifici sui due lati del giardino sono occupati a destra da un monastero di suore francescane, a sinistra da un monastero di benedettine, alle quali è affidata la basilica di S. Cecilia. Il portico della chiesa conserva sull'architrave un fregio musivo del XII secolo riccamente policromo, dove sono raffigurate tra l'altro S, Cecilia e altri santi e sante. Sotto il portico molti monumenti funebri, tra cui spicca quello del cardinale Paolo Emilio Sfondrati (m. 1618), opera di Girolamo Rainaldi, le cui sculture furono eseguite su disegno di Pietro Bernini, padre di Gian Lorenzo.