Родилась в семье профессиональных певцов. Впервые выступила перед публикой в 9-летнем возрасте в опере Тоска. Училась в римской Консерватории Святой Чечилии.
Более двадцати лет сотрудничает со звукозаписывающей фирмой Decca Records, выпустив за это время более шестнадцати сольных альбомов (по состоянию на 2010 год). В первые годы это были преимущественно записи произведений Моцарта и Россини. Начиная с 1999 года каждый альбом фактически открывает для современного слушателя редко исполняемых композиторов XVII–XIX веков: Вивальди, Генделя, Алессандро Скарлатти, Кальдару, Порпору, Глюка, Сальери, Гарсиа, Малибран и других.
Принимала участие в записях опер Генделя, Гайдна, Моцарта, Россини, Беллини и Пуччини.
В 2007—2009 выступила с серией концертов к 200-летнему юбилею легендарного меццо-сопрано Марии Малибран. В рамках проекта «Maria» были выпущены одноимённый альбом на CD, DVD с записью барселонского концерта и первая аутентичная запись оперы Беллини «Сомнамбула». Исполнявшаяся в 2008 опера Жака Фроманталя Галеви «Клари», где Бартоли пела главную партию, была издана на DVD осенью 2010.
В октябре 2009 Чечилия Бартоли вернулась к баро?чному репертуару, выпустив альбом «Sacrificium» (Жертвоприношение), посвящённый кастратам и музыке, написанной для них (в первую очередь — музыка Неаполитанской школы). С 2009 давала концерты по мотивам этого альбома, а также концерты, посвящённые Генделю, в которых с ней выступали оркестры Il Giardino Armonico под управлением Джованни Антонини, La Scintilla и Базельский камерный оркестр. В конце 2010 в серии концертов, посвящённых Генделю, пела дуэтом с контратенором Франко Фаджоли.
29 июня 2010 года в Дортмунде Бартоли впервые исполнила партию Нормы в одноимённой опере Винченцо Беллини. Бальтазар-Нойман-Ансамблем дирижировал Томас Хенгельброк, а среди других солистов были Джон Осборн (тенор), Микеле Пертузи (баритон) и Ребека Олвера (сопрано).
В середине 2011 года Чечилия Бартоли вновь обратилась к произведениям Вивальди, исполнив арии из его опер с камерным ансамблем Ensemble Matheus под управлением дирижёра Жана Кристофа Спинози.
С 2012 Чечилия Бартоли вступает в должность руководителя оперной части Зальцбургского фестиваля. Уже обещана сценическая версия «Юлия Цезаря» Генделя, где партию Клеопатры исполнит Бартоли, а Цезаря — Андреас Шолль.
Получила признание как исполнительница произведений Моцарта и Россини, а также произведений эпохи барокко. Из наиболее известных партий — Золушка в одноимённой опере Россини, Розина в «Севильском цирюльнике» того же композитора, Деспина в «Так поступают все» Моцарта, Клеопатра в «Юлии Цезаре» Генделя. Премия Грэмми (2002), многократный лауреат премии ЭХО-Классик.
Кавалер ордена «За заслуги перед Итальянской Республикой» (28 мая 2003 года) и кавалер ордена искусств и литературы (Франция).