La Basilica di Santa Cecilia in Trastevere è dedicata alla martire cristiana venerata come esempio di devozione. Cecilia era una giovane donna di nobile famiglia romana del II secolo, sposa di Valeriano. Si convertì al cristianesimo e fece voto di castità e devozione a Dio. Si prodigò per la conversione di Valeriano e del fratello di questi, Tiburzio, e per questo subì per tre giorni il supplizio nel calidarium della casa familiare. Al terzo giorno, sopravvissuta ai vapori caldissimi, venne decapitata per ordine dell'imperatore Alessandro Severo.

La chiesa sorge proprio sul luogo del suo martirio, la casa familiare di Cecilia, luogo che già dal V secolo è documentato come Titulus Caeciliae, ossia un edificio in cui si svolgevano i riti cristiani. Nel VI secolo fu Papa Gregorio Magno a costruire la basilica primitiva. Successivamente, all'inizio del IX secolo, Papa Pasquale I fece erigere la chiesa in forma basilicale che ritroviamo tutt'oggi: una navata centrale sostenuta da dodici colonne collegate da archi e un'abside semicircolare. Secondo la leggenda, il papa ebbe in sogno la visione di Cecilia che gli rivelava il luogo della sua sepoltura. Le sue reliquie furono recuperate e spostate proprio nel luogo del suo martirio, dove fece erigere la basilica.

Nel XII secolo, Papa Pasquale II fece costruire un monastero anch'esso dedicato a Santa Cecilia e a Sant'Agata, il campanile (oggi leggermente pendente) e il portico.
Durante i lavori di ristrutturazione effettuati nel 1599 dal cardinale Paolo Emilio Sfondrati, fu aperto il sepolcro di marmo e la cassa di cipresso al suo interno: venne rinvenuto il corpo quasi integro della santa, vestito di bianco e con il segno delle ferite sul collo. L'evento fu considerato miracoloso, tanto che anche Papa Clemente VIII commissionò allo scultore Stefano Maderno la riproduzione della figura così come era stata ritrovata. L'eccezionale opera in marmo che possiamo ammirare sull'altare maggiore della basilica riproduce il corpo minuto della santa nella stessa posizione in cui venne rinvenuta: sdraiata sul lato destro con la testa volta all'indietro, coperta da un panno drappeggiato e con tre tagli sul collo a testimoniare il suo martirio.

Nel 1724 la basilica subì un'importante ristrutturazione per volontà del cardinale Francesco Acquaviva d'Aragona, che affidò a Ferdinando Fuga il rifacimento della facciata nel suo prospetto monumentale con quattro colonne in granito rosa. Il nome del cardinale risulta ben visibile sul cornicione della facciata stessa. Il Fuga creò l'ampio cortile tra il monastero e la chiesa, al centro del quale venne successivamente posto il cantharus romano (vaso cinerario) precedentemente ubicato sul lato destro.
All'interno della basilica sono conservati gli affreschi del Giudizio Universale di Pietro Cavallini, realizzati alla fine del 1200. Sulla volta, l'affresco con l'Apoteosi di Santa Cecilia venne realizzato nel 1727 da Sebastiano Conca. Nella Cappella delle Reliquie troviamo i dipinti del giovane Luigi Vanvitelli. Sull'altare della Cappella del Bagno si trovano le due opere di Guido Reni: la Decollazione di Santa Cecilia e Le Nozze mistiche di Cecilia e Valeriano, realizzate nel 1601.

Gli scavi sotto la chiesa, effettuati durante il restauro del 1899, portarono alla luce i resti di una domus del II secolo a.C., di cui restano i pavimenti a mosaico bianco e nero, e di un piccolo impianto termale interno. La cripta è stata abbellita con mosaici d'oro e colonne di granito grigio. Nella parete a sinistra troviamo la nicchia dove Papa Pasquale I trovò il corpo della santa: una copia della statua del Maderno è stata inserita nella nicchia, mentre l'originale lo possiamo ammirare sotto l'altare principale della basilica.