Il violoncello si suona da seduti tenendo lo strumento tra le gambe, poggiato su un puntale presente nella parte inferiore dello strumento. L'esecutore muove l'archetto trasversalmente sulle corde.
Il violoncello moderno possiede quattro corde accordate ad intervalli di quinta: la corda del La (cantino), del Re, del Sol e del Do. La corda del La emette un suono tre semitoni più in basso del Do centrale e la corda del Do è due ottave più basse del Do centrale.
L'estensione del violoncello va dal Do due ottave sotto il Do centrale fino al Mi due ottave sopra al Do centrale.


Il violoncello è strettamente associato alla musica classica, ma viene usato anche nella musica heavy metal. È parte dell'orchestra, del quartetto d'archi e di molti altri gruppi di musica da camera. Molti sono i concerti e le sonate scritte per violoncello. È meno comune nella musica popolare. Il timbro dello strumento nel registro grave è scuro e misterioso, nel piano è rude e forte. Il registro acuto ha tali possibilità di penetrazione sonora da essere, a ragione, ritenuto il “tenore” dell'orchestra d'archi, un tenore maschio e sensuale, alla cui seduzione non è sfuggito alcun compositore (è bene però non abusare di tale registro acuto, che raggiunge abbastanza presto il limite della sazietà). Il registro medio è il meno sonoro, ma capace di colori morbidi e delicati.

Il violoncello è uno strumento costituito da molte parti, principalmente in legno (abete, acero e ebano), alcuni componenti (come il puntale) e piccoli particolari possono essere realizzati in acciaio, gomma o altri materiali. Vengono anche costruiti, anche se poco usati, violoncelli in fibra di carbonio.
La cassa armonica, che costituisce la parte più voluminosa del violoncello, è generalmente costruita con più tipi di legno: la tavola armonica con legno di abete rosso, il fondo e le fasce sono di solito realizzati in legno di acero, sebbene occasionalmente siano stati usati anche pioppo e faggio. Tutte le parti che compongono la struttura sono interamente tagliate e lavorate a mano (a meno che non si tratti di strumenti di produzione industriale e non di liuteria). Le fasce vengono realizzate assottigliando a mano il legno e curvandolo a caldo. La cassa è caratterizzata da un'ampia parte superiore, da un restringimento nella parte centrale e di nuovo la parte inferiore molto ampia, le fessure chiamate "effe" sono sulla parte centrale della tavola armonica.
La cassa armonica, che costituisce la parte più voluminosa del violoncello, è generalmente costruita con più tipi di legno: la tavola armonica con legno di abete rosso, il fondo e le fasce sono di solito realizzati in legno di acero, sebbene occasionalmente siano stati usati anche pioppo e faggio. Tutte le parti che compongono la struttura sono interamente tagliate e lavorate a mano. Le fasce vengono realizzate assottigliando a mano il legno e curvandolo a caldo.

Sopra la cassa armonica si trova il manico, dello stesso legno del fondo e delle fasce, che termina con la voluta ed infine col riccio, il tutto ricavato da un unico pezzo. Nella voluta è compresa la "casetta" dove sono inseriti i quattro "piroli" usati per tendere e quindi accordare ciascuna corda, la cui estremità è avvolta intorno ad essi. Per i piroli viene generalmente impiegato il legno di bosso, d'ebano o di palissandro; gli stessi materiali sono utilizzati anche per la tastiera e per il capotasto, che è una barretta posta sulla parte iniziale della tastiera e fornisce l'appoggio alle corde e per il "bottone", dal quale fuoriesce il puntale. Nella parte inferiore, le corde sono mantenute in tensione dalla cordiera, che a sua volta è agganciata tramite un cavo (generalmente in budello, nylon o anche metallo) al bottone da cui fuoriesce il puntale che sostiene il violoncello quando viene suonato. La cordiera e il bottone sono in legno duro, lo stesso dei piroli. Può incorporare i tiracantini, che consentono un' accordatura più fine rispetto ai piroli.
Il puntale sostiene il violoncello quando viene suonato. Normalmente in metallo (oggi raramente in legno) o carbonio, è retraibile e può essere regolato in altezza. La parte terminale del puntale può essere coperta da un gommino, utilizzato, o non, a seconda del pavimento su cui si poggia lo strumento, in modo da renderlo fermo e stabile. È stato introdotto da François Servais, allora docente del Conservatorio di Parigi, alla fine del XIX secolo.
Il ponticello (in legno) tiene sollevate le corde al di sopra della tastiera e trasmette il suono dalle corde alla tavola e alla cassa armonica. Il ponticello non è fissato, sono le corde stesse, con la propria tensione, a mantenerlo in posizione. Le effe, fessure dalla caratteristica forma di f (per questo così chiamate), sono collocate ai lati del ponticello, con lo scopo di permettere al suono di fuoriuscire e di dare maggiore elasticità alla tavola armonica. Inoltre sono utili al liutaio per l'accesso all'interno della cassa armonica.

Internamente, il violoncello ha due importanti componenti: la catena, barra di abete incollata al di sotto della tavola, e l'anima, cilindretto pure di abete collocato a pressione tra il fondo e la tavola dello strumento. La catena ha lo scopo di rinforzare la tavola del violoncello, contribuendo a conferirgli maggiore rigidità. L'anima contribuisce alla diffusione delle vibrazioni che dalle corde, attraverso il ponticello, mettono in vibrazione la cassa, trasmettendole dalla tavola al fondo e amplificando così il suono emesso dalle corde stesse. Come il ponticello, anche l'anima non è incollata, ma è tenuta in posizione dalla tensione esercitata dalla tavola e dal fondo.
I violoncelli sono incollati utilizzando generalmente colla animale, robusta e allo stesso tempo reversibile, permettendo così di effettuare interventi di riparazione o restauro, nel caso sia necessario aprire la cassa o smontare altre parti.
Esistono violoncelli moderni costruiti in fibra di carbonio.
Tradizionalmente, l'archetto (o arco) è costruito con legno di pernambuco, recentemente viene prodotto anche in fibra di carbonio. Il crine, fissato alle estremità dell'arco e che da questo viene teso, proviene dalla coda di cavallo maschio. Il crine deve essere frequentemente trattato con colofonia, detta comunemente pece o resina, (applicata di solito ogni volta che lo strumento viene suonato) per aumentare la presa sulle corde. Il crine è mantenuto in tensione per mezzo di una vite che allontana la parte detta tallone, parte che si utilizza anche per impugnare l'archetto.
Tradizionalmente, l'archetto (o arco) è costruito con legno di pernambuco, recentemente viene prodotto anche in fibra di carbonio.

I violoncelli di formato "intero" sono detti "quattro quarti" (4/4). Come per i violini, vengono prodotti anche violoncelli di dimensioni ridotte, dai "sette ottavi" (7/8) fino al "sedicesimo" (1/16), perfettamente identici a quelli di formato più grande, da non confondersi col violoncello piccolo in cui invece l'estensione cambia e spesso anche il numero delle corde. I formati minori sono proporzionali a quelli "interi" e vengono generalmente utilizzati da bambini, anche se non mancano violoncellisti adulti che preferiscono formati minori (soprattutto il 7/8) per ridurre i movimenti della mano. Il numero che definisce tali formati dipende da calcoli di proporzione riferiti alla lunghezza della tavola armonica standardizzati sotto tali denominazioni, che però sono prive di valore matematico.

Fino al XVII secolo il modello del violoncello non esisteva. Convenzionalmente queste varie forme di strumenti ad arco che anticiparono il violoncello prendono genericamente il nome di Basso di viola da braccio o, più semplicemente, basso di viola, per il fatto che essi costituiscono l'insieme degli strumenti che potevano svolgere la parte del basso nella famiglia delle viole da braccio. Questo insieme di strumenti assume or ora vari nomi nel XVII secolo e si pensa inoltre che in Italia, fino al XVIII secolo, col termine violone ci si riferisse a questo strumento. Differentemente dal violoncello o dalla viola da gamba, era uso che questo strumento venisse suonato mentre era appoggiato a terra e non tenuto fra le gambe o con un puntale.
La prima apparizione del basso di viola da braccio nella trattatistica pervenutaci è nel trattato Epitome Musical (1556) di Jambe de Fer, mentre fa la sua prima comparsa nella musica stampata nell'Orfeo di Claudio Monteverdi (Venezia, 1609) col nome basso da brazzo. Il primo strumento col nome violoncello è il violoncello da spalla, primo ad apparire nella trattatistica stampata (in Jambe de Fer, 1556), è un basso di viola da braccio più piccolo rispetto agli altri che si suonava appoggiato sulla spalla, così molto diverso dal moderno violoncello. Numerosi dipinti suggeriscono che fosse comune suonare questi bassi sulla spalla. Le innovazioni nella costruzione del basso di viola da braccio che confluirono nel moderno violoncello avvennero nell'Italia settentrionale a fine XVII secolo nell'area attorno a Bologna. Lo strumento si rimpicciolì ed adottò definitivamente l'accordatura La3-Re3-Sol2-Do2, che già Michael Praetorius nel Syntagma Musicum (c. 1619)  indicava come accordatura convenzionale dei bassi di viola da braccio. Attorno al 1660 a Bologna comparve l'uso di ricoprire la corda di budello con un sottilissimo avvolgimento di filo d'argento, così fu possibile adottare corde più corte e sottili, che emettevano un suono migliore rispetto a quelle in puro budello fino ad allora utilizzate. Questa innovazione permise di creare uno strumento di minori dimensioni rispetto al basso di viola da braccio che però potesse emettere comunque suoni gravi, la minore dimensione dello strumento avrebbe così reso lo strumento più gestibile per l'esecutore, soprattutto nell'esecuzione di passaggi virtuosistici; i liutai bolognesi sfruttarono questa tecnologia per creare così il violoncello.
Questo strumento aveva anche degli svantaggi: il suo suono era meno adatto all'accompagnamento, meno corposo e grave dei suoi predecessori, così in molte situazioni si rivela necessario raddoppiarlo con un contrabbasso. Questo nuovo strumento trovò l'ultima definizione negli strumenti realizzati dal liutaio Antonio Stradivari attorno al 1700. Molti bassi di viola furono letteralmente diminuiti in dimensioni per trasformarli in violoncelli, anche se lo stesso Stradivari creò alcuni strumenti di dimensioni maggiori dei canoni moderni, come lo Stradivari Servais; le dimensioni infatti si standardizzarono solo attorno al 1750. La diminuzione di dimensioni suggerì appunto l'origine etimologica del nome: violoncello, una forma ipocoristica del termine violone, significando "piccolo violone". La prima apparizione del violoncello nella musica stampata è una sonata di Giulio Cesare Arresti stampata a Bologna nel 1665. Questa prima forma del violoncello assume il nome di violoncello barocco e differisce per alcune caratteristiche dal violoncello moderno ed è tuttora molto usato in esecuzioni ispirate alla prassi esecutiva storica. Il manico, di forma differente, presenta un'angolazione rispetto alla cassa armonica - il riversamento - che si adatta ai diversi tensionamenti di questo strumento, derivanti anche dalla costituzione delle corde di budello. Circa dal XIX-XX secolo, i violoncelli moderni adottano un puntale in metallo retraibile per appoggiare a terra lo strumento (ciò consente anche di propagare alcune vibrazioni attraverso il pavimento, ragione per la quale i solisti suonano spesso su predelline di fianco al direttore d'orchestra), mentre quelli barocchi vengono invece sostenuti dalle gambe dell'esecutore. Le corde del violoncello classico moderno sono oggi in metallo, o con un'anima di materiale sintetico; quelle del violoncello barocco sono realizzate in budello (nei violoncelli barocchi costruiti oggi, il Sol e il Do, a volte sono rivestite in metallo). Gli archetti classici sono leggermente ricurvi verso l'interno e vengono impugnati dall'apposita parte terminale, mentre quelli barocchi presentano una curvatura verso l'esterno e vengono impugnati leggermente più in avanti. I violoncelli moderni classici montano spesso cordiere dotate di regolazioni fini per facilitarne l'accordatura, mentre quelli barocchi vengono accordati esclusivamente attraverso i piroli. Non esisteva alcun metodo didattico specifico per il violoncello prima del XVIII secolo. Il primo metodo per violoncello è di Michel Corrette: Méthode, thèorique et pratique pour apprendre en peu de temps le violoncelle dans sa perfection (Paris, 1741). Nel XVIII secolo compositori come Johann Sebastian Bach, Francesco Geminiani, Giovanni Battista Sammartini, Giuseppe Valentini, Antonio Vivaldi, Benedetto Marcello, ecc. lo usarono lautamente in molte composizioni sia come strumento accompagnatore (basso continuo) sia come strumento solista. Tuttavia, come nota Francesco Vatielli, il violoncello "per parecchi decenni del Settecento" soggiacque "all'umile condizione... di aiutante del clavicembalo e di servitore del solista sonatore o cantante". Tra i compositori che maggiormente contribuirono a "sviluppare, per dir così, la sua personalità", va certamente citato Giovanni Battista Cirri, Domenico Gabrielli, Johann Sebastian Bach. In questo periodo si fa uso anche di altri tipi di violoncello come il Violoncello piccolo (o violoncello tenore o violoncino), strumento usato nel XVII secolo che presentava una corda Mi all'acuto.

Nel XIX secolo, si svilupparono diverse scuole di violoncellisti già attive nel XVIII secolo e i violoncellisti del XIX secolo evolvettero la tecnica dello strumento aumentando l'espressività dello strumento - come Jean-Baptiste Bréval, Jean-Louis Duport, Romberg, Dotzauer, Alfredo Piatti. Per opera delle scuole francesi e tedesche in questo periodo vengono introdotte due innovazioni allo strumento: si introduce il puntale, inizialmente osteggiato, trova per principale sostenitore Adrien-François Servais, e il Romberg, che prende il nome dall'omonimo strumentista, una rettificazione della tastiera in prossimità della terza e della quarta corda per aumentare l'inclinazione della tastiera in quei punti e permettere alla corda di vibrare meglio. Romberg è anche responsabile di aver uniformato la notazione musicale per il violoncello stabilendo la convenzione dell'uso di sole tre chiavi per il violoncello: la chiave di basso, la chiave di tenore e la chiave di violino. Prima di lui, era comune utilizzare tutto il setticlavio per il violoncello - per esempio, Luigi Boccherini usava sei chiavi diverse nelle sue composizioni per violoncello, mentre Johann Sebastian Bach utilizzava anche la chiave di contralto oltre alle chiavi citate. Nel periodo neoclassico ne fecero uso, tra gli altri, Franz Joseph Haydn e Ludwig van Beethoven. Dal romanticismo ai nostri giorni vanno menzionati Robert Schumann, Edward Elgar, Gabriel Fauré, Camille Saint-Saëns, Claude Debussy, Zoltán Kodály, Benjamin Britten, Antonín Dvořák, Dmitrij Dmitrievič Šostakovič, ecc. In questo periodo, il violoncello fu nel quartetto d'archi e quindi divenne uno dei più importanti e conosciuti strumenti musicali. A metà del XX secolo i violoncelli iniziarono ad essere prodotti su larga scala. Al giorno d'oggi la maggior parte degli strumenti reperibili sul mercato è di fabbricazione industriale. In Italia, nei laboratori di liuteria, essi vengono ancora prodotti in modo del tutto artigianale. Il violoncello, è per diffusione e per notorietà, il secondo strumento della famiglia degli archi, preceduto solo dal violino. I violoncelli fanno parte dell' orchestra sinfonica convenzionale, generalmente in un numero compreso fra gli otto e i dodici elementi. La sezione dei violoncelli, nella disposizione moderna dell'orchestra, si trova sulla destra del direttore d'orchestra opposta alla sezione dei primi violini, con la sezione degli archi che vede da sinistra a destra rispettivamente i primi violini, i secondi violini, le viole e i violoncelli, come nelle principali esecuzioni di Karajan e Stokowsky, oppure li si trova accanto ai primi violini con la sezione degli archi da sinistra a destra che vede rispettivamente i primi violini, i violoncelli, le viole e i secondi violini, come nelle esecuzioni di Toscanini (disposizione detta "alla tedesca"). Il primo violoncello o spalla dei violoncelli è l'omologo del primo violino nella sua sezione, è la guida della sezione che determina le arcate in accordo con le altre sezioni degli archi e esegue i soli; questo strumentista nell'orchestra siede in prima fila fra i violoncelli, è il più vicino al pubblico.

I violoncelli costituiscono una parte fondamentale nella musica per orchestra, tutta la musica sinfonica contiene parti per violoncelli e molte composizioni contengono degli assoli per questo strumento e, soprattutto dal XX secolo, il genere del concerto per violoncello ha assunto sempre più rilevanza. In buona parte, però, i violoncelli contribuiscono a sostenere l'armonia del suono dell'orchestra. Sovente, nelle parti dei violoncelli sono alternate parti in cui i violoncelli suonano la melodia a parti di accompagnamento, eseguendo la melodia portante del brano e ritornando alla parte armonica. Il violoncello è spesso usato come strumento solista. Esistono diversi concerti per violoncello e orchestra, tra cui i più conosciuti sono: Haydn in Do Maggiore e Re Maggiore; Boccherini in Sib Maggiore, Re Maggiore e Sol Maggiore; Saint-Saens in La min.; Dvořák in Si min.; Schumann in La min.; Shostakovich in Mib magg. e Sol Magg. Numerosi anche i brani composti per violoncello solo, tra cui: J.S. Bach, Sei suites; Hindemith, Op 25, No. 3;Kodály, Op. 8; Britten, 3 Suites, Op. 72, 80, 87. Vasto è anche il repertorio per violoncello e pianoforte. Il violoncello inoltre è impiegato anche nel quintetto, nel sestetto, nel trio e in altri complessi da camera. Sebbene il violoncello non sia comunemente utilizzato nella musica popolare, lo si può trovare impiegato anche in diverse interpretazioni di musica pop e rock.