Впервые выступила перед публикой в 9-летнем возрасте в опере Тоска. Училась в римской Консерватории Святой Чечилии. В 1986 была приглашена в театр Ла Скала.

Сотрудничает со звукозаписывающей фирмой Decca. Записала более пятнадцати сольных альбомов (по состоянию на 2009 год), принимала участие в записях опер Генделя, Глюка, Гайдна, Моцарта, Россини, Пуччини.

Выпустила почти два десятка сольных альбомов, в некоторых из них фактически заново открыв таких композиторов, как Кристоф Виллибальд Глюк, Антонио Сальери. Записала диски с редко исполняемыми ариями Антонио Вивальди, Георга Фридриха Генделя, Алессандро Скарлатти, Антонио Кальдары, Николы Порпоры, Франческо Арайи, Карла Генриха Грауна, Леонардо Лео, Леонардо Винчи.

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 концертом в Барселоне и запись оперы Винченцо Беллини «Сомнамбула».

В октябре 2009-го года Чечилия Бартоли вернулась к баро́чному репертуару, выпустив альбом «Sacrificium» (Жертвоприношение), посвящённый кастратам и музыке, написанной для них (в первую очередь — музыка Неаполитанской школы).

Признание

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).