Née à Glasgow, Cecile grandit à Londres avant de revenir en Ecosse pour étudier à l’Edinburgh College of Art. Son père, un peintre reconnu, l’envoie à Paris à l’académie de la Grande Chaumière ; elle visite Florence et Vienne. Walton se marie et divorce à deux reprises, elle a deux garçons de son premier mariage.
L’amie de Whistler et de Duncan réussit à trouver son style : elle, qui admire les préraphaélites et Puvis de Chavannes, retient quand même du symboliste Duncan l’utilisation de la lumière et un trait net et ferme. Walton exécute des portraits et des scènes de genre qui privilégient l’enfance. Elle n’hésite pas à bousculer les conventions en se peignant presque nue avec son dernier enfant, mêlant avec humour le thème de la mère, représentée comme une madone, et celui du nu féminin. Walton réalise des peintures murales et illustre plusieurs livres de contes, dont ceux d’Andersen. A la fin de sa vie, elle dessine également des décors de théâtre.
Des expositions, organisées à Edimbourg et à Londres, rendent son œuvre public ; en 1921, la Royal Scotland Academy lui offre la récompense la plus prestigieuse, le prix Gauthrie.