Como no pudieron matarla, los verdugos hirvieron agua y la colocaron en ella, pero el plan tampoco funcionó. Dios la estaba protegiendo para dar testimonio.
El prefecto entonces mandó que fuese degollada. El relato de su martirio da cuenta de que el verdugo dejó caer su espada hasta tres veces sobre el cuello de la santa sin éxito. Asustado, el hombre huyó de la escena dejando a la joven virgen bañada en su propia sangre.
Se dice que Santa Cecilia vivió tres días más. El Papa Urbano I mandó recuperar su cuerpo y que sea enterrado en la catacumba de San Calixto.
En Trastevere, en Roma, se edificó la Basílica de Santa Cecilia en el siglo V. Allí actualmente se encuentra la famosa estatua de tamaño natural del escultor Stafano Maderno que muestra a la santa como si estuviera dormida, recostada sobre el lado derecho.