Francesco Cilea gimė 1866 m. liepos 23 d. Palmi miestelyje Kalabrijoje, Italijoje. Gimęs aukštesnės viduriniosios klasės šeimoje, pirmąsias fortepijono pamokas ėmė lankyti pas tėvą, muzikantą mėgėją. Būdamas septynerių metų, jis išvyko iš Kalabrijos į Neapolį. Mokėsi vienoje garsiausių Italijos pusiasalio mokyklų - San Pietro a Maiella karališkojoje konservatorijoje, kur jį pastebėjo Francesco Florimo, Vincenzo Bellini draugas ir biografas. Jis dirigavo mokyklos orkestrui ir chorams, todėl galėjo laisvai lankytis visuose San Karlo teatro spektakliuose.
Šiuo metu jis sukūrė pirmuosius kūrinius: Trio fortepijonui, smuikui ir violončelei (1886), Orkestrinę siuitą (1887), Sonatą fortepijonui ir violončelei (1888). Dalyvavo konkurse į harmonijos katedrą, o komisija jam pavedė parašyti operą mažajam konservatorijos teatrui "Gina", kurios premjera įvyko 1889 m. vasario 9 d. ir sulaukė gana gerų atsiliepimų. Baigęs studijas, Cilea ieškojo naujos operos temos. Tuo tarpu Mascagni "Cavalleria rusticana" sukėlė revoliuciją muzikiniame teatre: gimė verizmo opera. Leidėjas Edoardo Sonzogno užsakė jam parašyti naują operą Tilda, kurios premjera įvyko 1892 m. balandžio 7 d. Pagliano teatre (dabar Teatro Verdi) Florencijoje.
Kūrinys sulaukė didelio pasisekimo ir netgi gastroliavo Vienoje, kur garsus muzikos kritikas Eduardas Hanslickas gyrė Cilea stilių ir orkestruotę. Kompozitorius pradėjo dirbti prie savo Arlésienne, sukurto 1897 m. lapkričio 27 d. Milano "Teatro Lirico" teatre, kuriame Federiko vaidmenį atliko Enrico Caruso. Kaip bebūtų keista, kūrinys sulaukė tik mandagios sėkmės. Norėdamas atsisakyti teatro, Cilea priėmė harmonijos katedrą Muzikos institute Florencijoje. Tačiau netrukus jis grįžo prie kompozicijos ir naują temą rado Eugène'o Scribe'o ir Ernesto Legouvé pjesėje. Adriana Lecouvreur triumfas buvo toks didelis, kad opera greitai apkeliavo visą pasaulį ir sulaukė vieningo kritikų pripažinimo. Cilea svarstė galimybę parašyti naują kūrinį Francesca da Rimini ir net susitiko su Gabriele d'Annunzio. Tačiau projektas taip ir nebuvo įgyvendintas. Cilea, kaip operų kompozitoriaus, karjerą užbaigė nesėkminga "Gloria", kurios premjera įvyko 1907 m. vasario 15 d. Milano "La Scala" teatre - nors jis parašė paskutinę operą Il matrimonio selvaggio (1909 m.), kuri taip ir nebuvo išleista. 1913 m. Cilea perėmė vadovavimą Bellini konservatorijai Palerme, o po trejų metų grįžo vadovauti savo buvusiai mokyklai - San Pietro a Maiella konservatorijai Neapolyje. Joje jis išbuvo dvidešimt metų, pedagoginę veiklą kaitaliodamas su nedidelių kūrinių fortepijonui ar orkestrui komponavimu. 1939 m. balandžio 14 d. paskirtas Italijos akademijos nariu, mirė 1950 m. lapkričio 20 d. Varazze.
