Se trata de la primera creación documentada de Federico Barocci (1535-1612), pintor manierista italiano del que se cumple este año el cuarto centenario de su fallecimiento. La obra fue pintada durante los años 50 del siglo XVI (hacia 1555) y actualmente se conserva en la Catedral de Urbino, su ciudad natal.

Santa Cecilia aparece en el centro de la escena -en pleno éxtasis, dirigiendo la mirada al cielo para ver a los ángeles que tocan instrumentos musicales- rodeada de otros santos: de izquierda a derecha, Santa María Magdalena llevando en la mano el tarro de ungüentos -su atributo más común-, San Juan Evangelista con el evangelio en la mano y rasgos afeminados propios de su adolescencia en la Pasión, San Pablo espada en mano, y Santa Catalina de Alejandría pisando la rueda, instrumento de su martirio.

En el suelo, a los pies de Santa Cecilia, vemos varios instrumentos musicales rotos, señal de que ya no se halla atraída por la música terrena sino por la celestial, representada en los ángeles. Realmente no sabemos muy bien la asociación de dicha santa con la música, tanta que es patrona de los músicos. Parece que todo deriva de un himno latino cuya letra dice "Cantantibus organis Caecilia virgo in corde suo soli Domino decantabat" (en castellano, "Mientras sonaban los instrumentos, la joven Cecilia cantaba en su corazón solo para Dios").

La composición de Barocci remite directamente al Éxtasis de Santa Cecilia pintado por Rafael (Pinacoteca Nacional de Bolonia), hasta el punto que autores como Giovan Pietro Bellori hablan de copia. Sin embargo, es muy probable que Barocci no conociera la pintura de Rafael directamente, sino a través de estampas y grabados como los de Marcantonio Raimondi. Así lo afirman investigadores que consideran la obra más deudora de Raimondi que de Rafael, cuya pintura seguramente Barocci no viera nunca.

La pieza, realizada al óleo sobre lienzo (200 x 145 cm), muestra también la influencia inicial de Francesco Menzocchi y Battista Franco en el estilo de Barocci, así como un notable estudio del arte de Tiziano, que Barocci podría haber aprendido observando las pinturas del veneciano que formaban parte de la colección del duque de Urbino. La cabeza de San Pablo, por ejemplo, es idéntica a la del apóstol que figura a la derecha de Cristo en la Última Cena de Tiziano, hoy en la Galería Nacional de las Marcas de Urbino.