O bairro Bangu se originou da Fazenda de mesmo nome, sendo Manuel Barcelos Domingues um de seus proprietários em 1676, e a ele é atribuída a construção de uma pequena capela particular próxima à sede. A partir da década de 1850, a construção da Estrada de Ferro D. Pedro II na região deu ensejo ao povoamento ao longo de seus trilhos e ao redor das estações. Houve também a retirada da população do Centro da cidade na Reforma Pereira Passos, fazendo com que buscassem moradia nas áreas suburbanas e mais afastadas da cidade.

A construção da Companhia Progresso Industrial do Brasil (CPIB), mais conhecida como Fábrica Bangu, iniciou-se em 1889 às margens de um dos ramais da Estrada de Ferro D. Pedro II, dando características específicas para esta indústria, de capital inglês. Seu projeto original já previa a implantação de uma vila operária com área de encontro e socialização da comunidade e de legitimação do ideal de vida condominial (como igreja, clube, escola, creche e uma oficina para treinamento e qualificação de mão de obra), de certa forma gerenciada pela própria direção da fábrica.
O terreno onde havia a primitiva capela, que já estava pequena para comportar o crescimento da população do bairro, foi doado pela CPIB para a ereção de uma igreja que abrigasse os fiéis de maneira mais cômoda. O projeto da igreja coube ao desenhista José Vilas Boas, funcionário da CPIB, e, em 1909, foi entregue à Arquidiocese do Rio de Janeiro, sob a invocação dos Santos Mártires Sebastião e Cecília. A partir dessa data, a chaminé da fábrica e a torre da igreja ditavam o ritmo da vida na Vila Bangu, onde os sinos anunciavam as cerimônias religiosas e outros acontecimentos importantes, como os sepultamentos. Destaca-se, ainda, que foi criada uma olaria para produzir especialmente os tijolos de alta densidade, necessários para a construção dos edifícios fabris e dos demais prédios que faziam parte do complexo, pois não havia olarias equipadas no Rio de Janeiro para produzir tijolos com tais especificações.

A Matriz, em estilo Neogótico, tem fachada em tijolo aparente avermelhado que confere unidade arquitetônica com as edificações do terreno da antiga Fábrica de Tecidos Bangu. A igreja possui vitrais e arcos apontados no interior e uma torre sineira encimada por cúpula piramidal. Com o passar do tempo e para acompanhar o crescimento do bairro, o templo sofreu várias reformas: a primeira em 1946, com acréscimos laterais; em 1958, a nave foi ampliada e, em 1967, foi feito o segundo andar, correspondente à sacristia.
Há três portadas no primeiro pavimento cujo tímpano da principal é ornado com um relevo de Santa Cecília. O edifício se prolonga verticalmente com quatro colunas de seção retangular dispostas em planos diferentes, sendo o tramo central mais avançado. Há três janelas no coro ornamentadas com vitrais: São Sebastião do lado esquerdo, Calvário na cena central e Santa Cecília no lado direito. A torre se eleva na parte central com um óculo e campanário duplo e terminação piramidal com acrotério.