En 1599, el cardenal Paolo Emilio Sfondrato, con ocasión del próximo jubileo del año 1600, escribió que durante la restauración de la basílica había abierto el sarcófago de santa Cecilia y la había encontrado incorrupta y en la misma posición descrita por el papa Pascual.
Sfondrati mandó al escultor Stefano Maderno esculpir una estatua de mármol jaspeado de la santa, que se encuentra colocada bajo un baldaquino detro de la iglesia. Tal y como afirma la tradición, el cardenal le mostró al escultor los restos de la santa incorrupta, como dormida, y Maderno la representó del mismo modo en que la vio.
La santa lleva en la cabeza un tocado que muestra su condición de santa romana antigua. Una copia de la estatua se encuentra en las catacumbas de San Calixto, en el lugar en el que supuestamente fue enterrada.
La fachada de la iglesia fue construida por Ferdinando Fuga en 1725, e incluye un patio decorado con antiguos mosaicos, columnas y un cántaro. También contiene el escudo de armas y la dedicatoria del cardenal titular que financió la construcción de la fachada, Francesco Acquaviva d"Aragona.
Entre los vestigios que permanecen del edificio del siglo XIII, ha llegado hasta nuestros días un mosaico ubicado en el coro de los monjes y que representa el juicio final (1289-1293), basado en los diseños de Pietro Cavallini, y en el presbiterio se ubica el ciborio (1293) de Arnolfo di Cambio. El cimborrio gótico (de 1293) está rodeado por cuatro columnas de mármol blanco y negro, decorados con estatuas de ángeles, santos, profetas y evangelistas. El ábside tiene restos de mosaicos del siglo IX que representan a varios santos.
El cielo de la Cappella dei Ponziani está decorado con Dios Padre con los evangelistas (1470) de Antonio del Massaro (Il Pastura). La Cappella delle Reliquie fue pintada por Luigi Vanvitelli, quien también decoró el retablo. La nave central, por su parte, está decorada con la Apoteosis de Santa Cecilia (1721) de Sebastiano Conca. La iglesia también aloja dos retablos más: Santas Valeria y Cecilia y la Decapitación de Santa Cecilia (1603).
Entre los trabajos más notables está el altar de Santa Cecilia (1600), del escultor post-renacentista Stefano Maderno. Según se cuenta, esta escultura fue modelada ante el cuerpo de la santa, cuando se abrió su tumba en 1595. La estatua evidencia la decapitación, lo que ayuda a la identificación de la santa. Además, demuestra la incorruptibilidad de su cuerpo (atributo de los santos), el cual, milagrosamente, aún conserva sangre después de siglos.
La estatua podría ser concebida como proto-barroca, ya que representa un momento o una persona no idealizada, sino que muestra una escena teatralizada, una representación naturalista de una muerte, o de un santo moribundo. Esto es un acierto, ya que precede en varias décadas a las esculturas similares del alto-barroco de Gian Lorenzo Bernini (por ejemplo, su Beata Ludovica Albertoni) y de Melchiorre Cafà (Santa Rosa de Lima).
