Nato il 23 luglio 1866 a Palmi in Calabria, manifestò ancor fanciullo la sua predisposizione per la musica.
Avviato allo studio del pianoforte nel Real Collegio di Musica San Pietro a Majella di Napoli nel 1887 si distinse  con una "Suite per orchestra in 4 tempi" guadagnandosi una medaglia d’oro del Ministero della Pubblica istruzione e la nomina a primo alunno maestrino.
Nel 1889, al termine del suo curriculum scolastico Francesco Cilea presentò come esame finale di composizione il melodramma "Gina" rappresentato nel teatrino del Collegio ottenendo il favore di pubblico e  della critica.
Quest’opera gli aprì la strada per la composizione de "La Tilda", melodramma commissionato dall'editore Sonzogno e rappresentato nel 1892 nel Teatro Pagliano di Firenze prima, e al Teatro dell’Esposizione di Vienna poi.
Successivamente nel Teatro Lirico Internazionale di Milano nel 1897 presentò il dramma di L. Marenco "L’Arlesiana",  fra i protagonisti c'era Enrico Caruso.
Nel 1898 accetta la cattedra di Armonia al Regio Istituto Musicale di Firenze abbandonando la composizione che riprende qualche anno dopo componendo  "Adriana Lecouvreur", una commedia-dramma di A. Colautti, rappresentato nel 1902 al Teatro Lirico di Milano, la sia opera più famosa.
Nel 1905 si dimette da professore d'Armonia per dedicarsi interamente a una nuova opera, "Gloria" che viene rappresentata a Milano, diretta da Arturo Toscanini, nel 1907.
Dopo aver composto nel 1913 "Il canto della vita", poema sinfonico-corale con "a solo" di tenore su versi di Sem Benelli, in occasione del centenario della nascita di Verdi eseguito al Teatro Carlo Felice di Genova, partecipa al concorso per direttore al conservatorio di Palermo, risultando primo.
Nel 1916 vie nominato direttore del Conservatorio di Napoli, dove lavora fino al 1935 quando lascia l'insegnamento per raggiunti limiti d'età.
Come riconoscimento del valore della produzione di Cilea che non fu unicamente teatrale, ma anche sinfonica, vocale e da camera, nel 1938 venne nominato Accademico d'Italia.
Il compositore Morì a Varazze il 20 novembre 1950, nella città’ ligure che gli offrì la cittadinanza onoraria.