Inizia a recitare quattordicenne nella miniserie televisiva Ophira diretta dal padre, il cineasta e produttore Tommaso Dazzi, ma il debutto vero e proprio è nel 1987 in La famiglia di Ettore Scola, ricoprendo il ruolo da giovane del personaggio interpretato da Stefania Sandrelli: durante le riprese del film incontra Ricky Tognazzi, che la dirige poi in Fernanda (1987), uno dei sei episodi della serie televisiva Piazza Navona.
Nel 1989 si trasferisce a New York dove studia recitazione all'HB Studio con Herbert Berghof: tornata in Italia diventa poi assistente di Carmelo Bene.
Raggiunge la notorietà in Italia con le prime due stagioni della serie I ragazzi del muretto, in cui ricopre il ruolo dell'adolescente Debora Sacchetti; da quel momento si aprono per lei le porte del cinema, del teatro e della fiction televisiva. Inoltre dal 2003 al 2005, Cecilia è testimonial del gelato Carte D'Or negli spot girati da Paolo Genovese e Luca Miniero: curiosamente anche il personaggio di Debora ne "I ragazzi del muretto" durante la seconda stagione otteneva un posto in un provino per un gelato.
È successivamente impegnata con Miracolo italiano (1994) di Enrico Oldoini, che la richiamerà due anni più tardi per la fiction Dio vede e provvede; sempre nel 1994 recita nella sua prima produzione internazionale per il ciclo per la televisione Storie della Bibbia: è Bilhah in Giacobbe di Peter Hall. Passa poi ai cortometraggi: Cecilia Calvi la dirige in Mirko e Caterina (1995), accanto a Valeria Mastandrea, che poi ritroverà in Un inverno freddo freddo (1996) di Roberto Cimpanelli e La classe non è acqua (1996), sempre di Cecilia Calvi.
Il rapporto con la musica è parte della sua carriera artistica: nel 1997 firma infatti le parole di Capelli, brano con cui Niccolò Fabi vince il premio della critica per la categoria ‘Nuove proposte’ al Festival di Sanremo e Lasciarsi un giorno a Roma, dall'album Niccolò Fabi del 1998, con cui il cantante si classificherà ottavo al Festival di Sanremo dello stesso anno. Cecilia collaborerà anche con il compositore e autore Fulvio Binetti firmando alcuni testi dell'album di esordio di Micol Barsanti La chiave del sole, prodotto da Jovanotti. Assieme ad Emiliano Duncan scrive il testo di Farei di tutto per Giorgia, contenuto nell'album Spirito libero - Viaggi di voce 1992-2008.
Spesso ospite al Maurizio Costanzo Show, in quegli anni arriva per lei il riconoscimento della critica: per il ruolo di Sandra, in Matrimoni (1998) di Cristina Comencini, raccoglie la nomination ai Nastri d'argento 1999 e vince il David di Donatello 1999 come miglior attrice non protagonista.
Due anni dopo viene scelta da Nanni Moretti per il ruolo di Luisa, compagna del personaggio di Jasmine Trinca, nel controverso successo de Il caimano (2006) e nello stesso anno riceve una menzione speciale ai Nastri d’argento[1] come miglior interprete femminile per il cortometraggio di Stefano ChiodiniSotto le foglie, nuovamente in coppia con Valerio Mastandrea.
Ha brevettato e realizzato, in collaborazione con Enrico Alboni, un particolare cuscino adatto a donne con il seno voluminoso o affette da mastopatia.[2]