Un luogo di culto era già presente nel V secolo nella casa romana ritenuta di S.Valeriano, marito di Santa Cecilia, che venne martirizzata durante l'impero di Marco Aurelio. La costruzione della basilica avviene nel IX secolo durante il pontificato di Pasquale I. [817-824] Al nucleo originario vennero aggiunti nei secoli XII-XIII il portico, il campanile, l'ala destra del convento ed il chiostro. I primi restauri avvennero attorno al 1540, i successivi nel 1600, nel 1724, quando venne decorata la volta, i coretti e rifatta la facciata su committenza del cardinale Francesco Acquaviva. La facciata barocca originale, nata su disegno di Ferdinando Fuga, è preceduta da un portico con quattro colonne ioniche e due pilastri con capitelli corinzi. A lato il campanile in laterizio a cinque ordini.
L'interno è diviso in tre navate, di cui la centrale con volta a botte ribassata affrescata con 'L'Apoteosi di Santa Cecilia' da Sebastiano Conca. [1727]
Al centro del presbiterio è situato il ciborio gotico di Arnolfo di Cambio [1293] disposto su quattro colonne di marmo nero e bianco, decorato con statuette di angeli, santi, profeti, evangelisti. Sotto l'altare il sepolcro in bronzo e marmi dorati con la scultura di Santa Cecilia nella posizione in cui venne ritrovata dopo la morte realizzata da Stefano Maderno. [1600]
Alle spalle, nel catino absidale il mosaico risalente al 820 d.C raffigurante il Redentore Benedicente con i Ss.Paolo, Cecilia, Pasquale I e a destra i Ss.Pietro, Valeriano e Agata. Dal chiostro, raggiungibile dalla navata sinistra con visita guidata, si accede al Coro delle Monache in cui si conserva 'Il Giudizio Universale' dipinto da Pietro Cavallini [1289-93] che rappresenta per l'Arte Medioevale una delle opere più importanti del contesto romano.
Lungo le navate della basilica si apre sulla navata destra il Caldarium, con sull'altare 'La Decollazione di S.Cecilia' di Guido Reni [1603] autore anche dei 'Ss.Valeriano e Cecilia' collocati di fronte. La successiva è la Cappella dei Ponziani, con la volta a crociera decorata con 'Dio Padre tra gli evangelisti' da Antonio Del Massaro [1470] autore anche degli affreschi. Più avanti la Cappella delle Reliquie, opera di Luigi Vanvitelli, che eseguì anche la pala d'altare e l'affresco della volta
