Ο θεμέλιος λίθος τέθηκε τα Χριστούγεννα του 1842, αλλά η οικοδομή (στην οποία χρησιμοποιήθηκαν υλικά 72 συνολικά κατεδαφισμένων Αθηναϊκών ναών) διακόπηκε την άνοιξη του 1843, ελλείψει πόρων. Μετά την αναχώρηση του Hansen, προκηρύχθηκε διαγωνισμός για την αναθεώρηση των αρχικών σχεδίων (το 1846), που κέρδισε ο αρχιτέκτονας Δημήτριος Ζέζος (εισηγητής μιας “ελληνο-βυζαντινής” ρυθμολογίας). Μετά τον θάνατο εκείνου (το 1857), η επίβλεψη του έργου πέρασε στον Γάλλο αρχιτέκτονα François Boulanger (που έδρασε στην Ελλάδα μεταξύ των ετών 1845-1873, και στον οποίο οφείλονται πιθανότατα το τελικό επιστέγασμα των κωδωνοστασίων και το τελικό ύφος του τρούλου) και η διεύθυνση των εργασιών στον Παναγιώτη Κάλκο (1810-1878), ενώ η αγιογράφηση και η διακόσμηση ανατέθηκαν στους ζωγράφους Σπ. Γιαλινά και Κωνσνταντίνο Φανέλλη, αντίστοιχα.Τα γλυπτικά αρχιτεκτονικά στοιχεία, τα κιονόκρανα και ο άμβωνας σχεδιάστηκαν από τον γλύπτη Γεώργιο Φιτάλη. Στο εσωτερικό του ναού, σε μαρμάρινη λάρνακα, φυλάσσεται το σκήνωμα του εθνομάρτυρα Πατριάρχη Γρηγορίου Ε’, καθώς και της Αγίας Φιλοθέης της ΑθηναίαςΤα εγκαίνια της μητρόπολης έγιναν τον Μάϊο του 1862 και δαπανήθηκαν συνολικά 650.000 δραχμές (400.000 από εκποίηση εκκλησιαστικών οικοπέδων, 80.000 διέθεσε ο δήμος Αθηναίων, 20.000 ο Οθων, 10.000 ο Γεώργιος Σίνας, 86.000 ο υιός Σίμων Σίνας και τα υπόλοιπα από εράνους).

Ατυχώς το αποτέλεσμα των αλλεπάλληλων αναθεωρήσεων υπήρξε ένα μίγμα νεοκλασικισμού και βυζαντινισμού, χωρίς αρχιτεκτονική συνέπεια, “άτονο και άνευ χαρακτήρος”, που υπογραμμίζεται από την αναπόφευκτη αντιπαράθεση με τον παρακείμενο ναό της Γοργοεπηκόου (σημερινού Αγίου Ελευθερίου). Οι αδιάκοπες εξάλλου ανακαινίσεις και “εξωραϊσμοί” από το 1890 και σε όλη τη διάρκεια του 20ού αιώνα, χωρίς να τον βελτιώσουν, του στέρησαν σημαντικά ιστορικά τεκμήρια της αρχικής του, έστω, σύλληψης και εκτέλεσης.Χαρακτηριστικά, το κάτω τμήμα του κτηρίου, που σχεδιάστηκε από τον Χάνσεν, δείχνει μικρότερο σε σχέση με το υπόλοιπο κτήριο.

Μερικά χρόνια μετά την αποπεράτωσή του απετέλεσε το Μητροπολιτικό ναό της πρωτεύουσας του Ελληνικού κράτους, στην οποία έλαβαν μέρος πολλές σπουδαίες θρησκευτικές τελετές, όπως γάμοι και κηδείες βασιλέων, πρωθυπουργών και σημαινόντων προσώπων. Στα περίπου 150 έτη ζωής, η Μητρόπολη υπέστη ρωγμές από τον σεισμό του Φεβρουαρίου 1981 και μία επίθεση το 1998.Από το σεισμό του 1999 προκλήθηκαν ζημιές στο εσωτερικό του ναού, οι οποίες έκτοτε περιόρισαν τις λειτουργικές δυνατότητες του ναού. Τα έργα επισκευής συνεχίζονται μέχρι και σήμερα.