La struttura originaria era classicamente basilicale: navata centrale sostenuta da dodici colonne collegate da archi a tutto sesto, soffitto a capriate, abside semicircolare con il catino decorato in mosaico (la decorazione originaria era però più ampia, coprendo anche i lati), piccola cripta sotterranea in corrispondenza dell'altare maggiore e senza dislivello con la navata.

L'edificio fu abbellito e crebbe nei secoli successivi; accanto sorse successivamente un monastero, anch'esso dedicato a santa Cecilia e a sant'Agata. Papa Pasquale II fece costruire nel XII secolo il campanile (oggi leggermente pendente) e il portico, e nella seconda metà del XIII Pietro Cavallini vi affrescò il Giudizio universale, mentre Arnolfo di Cambio eresse il ciborio nel 1293.

A partire dal XVII secolo, e molto di più nel XVIII, le linee della basilica antica vennero fortemente modificate; pur lasciando inalterata l'abside, il presbiterio venne rialzato, il pavimento cosmatesco sostituito, le capriate del soffitto sostituite da un controsoffitto in legno (molti stucchi, dipinto centrale di Sebastiano Conca del 1725), le finestre furono ridotte e nuovi coretti vennero creati sopra le arcate tra le colonne (sorta di tardivo matroneo) riservato alle monache.

All'inizio del Settecento il cardinale Francesco Acquaviva d'Aragona affidò a Ferdinando Fuga un intervento di sistemazione esterno assai scenografico, il cui risultato fu l'attuale prospetto monumentale dell'entrata, con il nome del cardinale stesso ben in vista; nuovi ambienti destinati a sacerdoti e personale e la creazione dell'ampio cortile, con a destra il convento delle suore francescane e a sinistra il monastero delle benedettine. Nella basilica furono poi sepolti sia il cardinale che altri esponenti della sua famiglia.