Francesco Cilea urodził się w Palmi, małym miasteczku w Kalabrii we Włoszech, 23 lipca 1866 roku. Urodził się w rodzinie z wyższej klasy średniej, a pierwsze lekcje gry na fortepianie pobierał u swojego ojca, muzyka-amatora. W wieku 7 lat wyjechał z Kalabrii do Neapolu. Uczęszczał do jednej z najsłynniejszych szkół na Półwyspie Apenińskim, Królewskiego Konserwatorium San Pietro a Maiella, gdzie został zauważony przez Francesco Florimo, przyjaciela i biografa Vincenzo Belliniego. Dyrygował orkiestrą i chórami szkoły, co zapewniło mu swobodny dostęp do wszystkich spektakli wystawianych w Teatro San Carlo.
W tym czasie skomponował swoje pierwsze utwory, w tym Trio na fortepian, skrzypce i wiolonczelę (1886), Suitę orkiestrową (1887), Sonatę na fortepian i wiolonczelę (1888). Wziął udział w konkursie na katedrę harmonii, a komisja zleciła mu napisanie opery dla małego teatru Konserwatorium, Gina, która miała premierę 9 lutego 1889 roku i otrzymała dość dobre recenzje. Po ukończeniu studiów Cilea poszukiwał nowego tematu operowego. W międzyczasie Cavalleria rusticana Mascagniego zrewolucjonizowała teatr muzyczny: narodziła się opera weryzmu. Edoardo Sonzogno zlecił mu napisanie nowej opery Tilda, której premiera odbyła się w Teatro Pagliano (dziś Teatro Verdi) we Florencji 7 kwietnia 1892 roku.
Utwór odniósł spektakularny sukces i był nawet wystawiany w Wiedniu, gdzie słynny krytyk muzyczny Eduard Hanslick chwalił styl i orkiestrację Cilei. Kompozytor rozpoczął pracę nad swoją Arlésienne, stworzoną w Teatro Lirico w Mediolanie 27 listopada 1897 roku, z Enrico Caruso w roli Federico. O dziwo, sztuka odniosła jedynie grzecznościowy sukces. Chcąc porzucić teatr, Cilea przyjął katedrę harmonii w Instytucie Muzycznym we Florencji. Wkrótce jednak powrócił do komponowania i znalazł swój nowy temat w sztuce Eugène'a Scribe'a i Ernesta Legouvé. Triumf Adriany Lecouvreur był tak wielki, że opera szybko została wystawiona na całym świecie, ku jednogłośnemu uznaniu krytyków. Cilea rozważał napisanie nowego dzieła, Francesca da Rimini, a nawet spotkał się z Gabriele d'Annunzio. Projekt nigdy jednak nie wystartował. Kariera Cilei jako kompozytora operowego dobiegła końca wraz z porażką Glorii, której premiera odbyła się 15 lutego 1907 roku w mediolańskiej La Scali - choć napisał jeszcze jedną operę, Il matrimonio selvaggio (1909), która nigdy nie została wydana. W 1913 roku Cilea objął kierownictwo Konserwatorium Belliniego w Palermo, a trzy lata później powrócił do prowadzenia swojej dawnej szkoły, Konserwatorium San Pietro a Maiella w Neapolu. Pozostał tam przez dwadzieścia lat, na przemian nauczając i komponując małe utwory na fortepian lub orkiestrę. Powołany do Akademii Włoskiej 14 kwietnia 1939 roku, zmarł 20 listopada 1950 roku w Varazze.