Pero su padre, que veía las cosas de un modo diferente, la casó con un joven patricio llamado Valeriano, pero Cecilia le dijo a éste que ella había hecho voto de virginidad y que, para vivir con ella, debía hacerse cristiano. Valeriano se hizo instruir por el Papa Urbano y fue bautizado. Posteriormente también recibiría el bautismo su cuñado Tiburcio, hermano de Valeriano.
El alcalde de Roma, Almaquio, había prohibido sepultar los cadáveres de los cristianos. Pero Valeriano y Tiburcio se dedicaron a sepultar todos los cuerpos de los mártires que encontraban. Por eso fueron arrestados. Llevados ante el alcalde, éste les pidió que declararan que adoraban a Júpiter. Ellos defendieron su fe y murieron mártires.
Cecilia sepultó los tres cadáveres. En seguida arrestaron a Cecilia y le exigieron que renegase de la fe cristiana. Ella declaró que prefería la muerte antes que renegar de Cristo. Durante el juicio, el prefecto Almaquio discutió detenidamente con Cecilia. La actitud de la santa le enfureció, pues no consiguió que renegara. Entonces fue llevada junto a un horno caliente para tratar de sofocarle con los terribles gases que salían de allí, pero en vez de asfixiarse ella cantaba gozosa.
Entonces, el prefecto envió a un soldado a decapitarla. El verdugo descargó tres veces la espada sobre su cuello y la dejó tirada en el suelo. Cecilia pasó tres días entre la vida y la muerte. En ese tiempo los cristianos acudieron a visitarla en gran número. Fue sepultada junto a la cripta pontificia, en la catacumba de San Calixto.
En 1594, el papa Gregorio XIII la nombró patrona de los músicos. Comúnmente se le ha representado tocando un órgano, aunque también se le relaciona con otros instrumentos habituales de la época, generalmente de cuerda, como la lira, la cítara o el arpa, que eran los que existían en las casas de los patricios. El Papa que la nombró patrona dijo que había «demostrado una atracción irresistible hacia los acordes melodiosos de los instrumentos. Su espíritu sensible y apasionado por este arte convirtió así su nombre en símbolo de la música»
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