Esztergályos Cecília 1943. január 26-án, Budapesten született. Édesapja Esztergályos Károly orvos, édesanyja Geréb Borbála fotóművész. Testvérei: Esztergályos Károly, Balázs Béla-díjas rendező, dr. Esztergályos János radiológus főorvos, az orvostudományok kandidátusa. 10 éves korában gyermekparalízisben szenvedett, de szerencsésen felépült.
„Játékos portré egy lányról, aki vidáman rója Budapest utcáit” – ez Szabó István, Oscar-díjas filmrendező Te című, 1962-es, francia újhullámos hatásokat mutató rövidfilmjének egymondatos szinopszisa. A Balázs Béla Stúdióban készült, tizenegyperces fekete-fehér alkotás főszerepét Esztergályos Cecília játszotta, akit ezzel a szereppel fedezett fel a filmszakma, ez után jelentkezett a Színművészeti Főiskolára. Eredetileg balett-táncosnak készült, 1960-ban az Állami Balettintézetben balettművészként végzett (első mestere Szalay Karola volt), majd 1960-63 között a Pécsi Balett szerződtette, amelynek alapítótagja és szólótáncosa volt. 1964 és 1968 között Színház- és Filmművészeti Főiskola színművész szakának hallgatója volt, Simon Zsuzsa osztályában.
Diplomás színésznőként 1968-tól a Kazimir Károly vezette Thália Színház tagja volt. 1984-től 1990-ig a Nemzeti Színház művésze volt, ahol elsődlegesen Sík Ferenccel és Vámos Lászlóval dolgozott együtt. 1990-91-ben a Veszprémi Petőfi Színház társulatához tartozott. 1991-től 1999-ig a Família Kft. című, a kor egyik legnépszerűbbjének számító sorozat állandó főszereplője volt, közben nem dolgozott társulatban. 1999 és 2005 között szabadúszóként tevékenykedett, 2005-től 2011-ig a József Attila Színház volt, 2014-től az Újszínház társulatát erősíti. Ezek mellett számos vendégszerepet vállalt, például a Veszprémi Petőfi Színházban, a Vidám Színpadon, a debreceni Csokonai Színházban, a kecskeméti Katona József Színházban, a Budaörsi Latinovits Színházban.
Elsősorban komika, kifinomult mozgáskultúráját vígjátéki szerepekben kamatoztatja, híres energikus, hiperaktivitásba hajló színpadi-filmes létezéséről. Első nagyjátékfilmes alakítását Makk Károly Elveszett paradicsom című 1963-as alkotásában, húszévesen játszotta. Gazdag filmes és színpadi pályafutása során több száz alkotásban játszott, csupán mozgóképes munkáinak száma is meghaladja a százat.
Hatszor házasodott. 1962-ben babát várt a Fülöp Zsigmond színművésszel tartó kapcsolatában, azonban rubeola miatt nem tarthatta meg gyermekét. Első férje Bácskai Lauró István filmrendező volt. A második Dvorák István táncművész, a harmadik Takács Sándor taxisofőr, az operaház énekkarának énekese. Negyedik férje Dimulász Miklós színész, ötödik Incze József színész volt. 1985 óta él házasságban hatodik férjével, Fonyódi Péterrel, aki a pszichológia és a kommunikáció doktora, korábban a Memphisz, a Corvina és a Pastoral együttesek dobosa. Közös gyermekük nem született. Férjével 2007-től Solymáron, egy Makovecz Imre, Kossuth-díjas építészlegenda által tervezett házban lakik, előtte a budai Istenhegyi úton laktak.
Szabadidejében festészettel és kerámiával foglalkozik, több kiállítása nyílt országszerte. Aktív szereplője a bulvármédiának is, népszerűsége nyolcvanéves korában is töretlen – több filmes alkotás mellett 2023-ban tartották a Vajda Katalin által írt Se itt, se ott című dráma bemutatóját, amelyben Tordai Terivel közösen játszik főszerepet az Újszínházban.
1974-ben Jászai Mari-díjat, 2018-ban Kossuth-díjat kapott. 2020-tól a Halhatatlanok Társulatának örökös tagja. A Magyar Filmakadémia életműdíját 2023-ban vehette át, ugyanettől az évtől a Magyar Művészeti Akadémia (MMA) levelező tagja. 2023-ban Arany Medál-életműdíjat ítélt neki a közönség, az elismerést a Bethlen Téri Színházban tartott 15. Arany Medál-díjkiosztón vehette át.