Отец будущего режиссера Генри Черчилл Демилль был известным драматургом. Совместно со своей женой, Матильдой Беатрис Сэмюэль, он организовала литературно-гастрольное бюро, которое помогало коллективам подбирать репертуар и подыскивало актеров. Сесил и его старший брат Уильям (в будущем – также известный кинорежиссер) выросли в артистической среде.

В 1912 году Сесил вместе с Джесси Ласки основывает кинокомпанию «Дж. Ласки Фичер Плэй К°», впоследствии переименованную в «Paramount Pictures». 

Изначально Демиль планировал стать театральным режиссером, но в 1913 году Д. Ласки поручил ему постановку фильма «Муж индианки». Первый опыт оказался неудачным. 

Первым успехом Демилля явилась «Кармен» – экранизация новеллы Проспера Мериме, адаптированная к американским условиям. Главную роль в нем играла известная оперная «дива» Джеральдина Фаррар. В последующем успех не оставлял Демилля всю его карьеру. Он снимал помпезные комедии, религиозные драмы и масштабные пеплумы. Фильмы Деммиля до сих пор входят в списки наиболее известных американских лент. Его фильм 1952 года «Величайшее шоу мира» является одним из самых кассовых фильмов, показанных в США и Канаде.

Безболезненно пережив приход звука в кино, он долгие годы считался эталоном успешного режиссера. В 1956 году во время натурных съемок в Египте своей последней картины «Десять заповедей» у Демилля случился сердечный приступ, от которого он так и не оправился. 21 января 1959 года он скончался в Голливуде от сердечной недостаточности в возрасте 77 лет. 

Для современного зрителя Демилль больше знаком по драме Билли Уайлдера «Бульвар Сансет», где сыграл самого себя. В честь режиссера вручается «Премия Сесиля Демилля» – престижная награда Голливудской ассоциации иностранной прессы, присуждаемая ежегодно с 1952 года за выдающиеся заслуги в кинематографе.