Konstrukcja bazyliki miała przypominać jeden wielki organizm, a detale architektoniczne nawiązywać do podpatrzonych w przyrodzie form organicznych - tak jak w naturze żaden z nich nie jest identyczny i musi być osobno rzeźbiony.

Budowa rozpoczęła się w 1882 r. Początkowo prowadzono ją według projektu Francisco de Paula del Villara, ale architekt wszedł w konflikt ze stowarzyszeniem finansującym budowę świątyni. Wówczas zlecenie na budowę otrzymał Gaudí. Miał tylko skończyć gotowy projekt Villara i do 1914 roku niespecjalnie nad nim pracował. Po 1914 Gaudí poświęcił się zupełnie katedrze, jak sam określał, może nie ostatniej zbudowanej, lecz zapewne pierwszej z nowej generacji. Całkowicie zmienił projekt, nadając mu własny, niepowtarzalny styl. Zamieszkał nawet na terenie budowli. Przez następne dekady pracował intensywnie nad konstrukcją, poświęcając jej całkowicie ostatnich 15 lat życia. Podczas prac nieustannie dostosowywał i zmieniał pierwotne założenia.

Antonio Gaudí zdążył ujrzeć ukończone wieże kościoła i jedną z trzech zaprojektowanych przez siebie fasad. W czerwcu 1926 r. zginął pod kołami tramwaju. Zgodnie z życzeniem jego prochy spoczęły w nieukończonej bazylice. Gaudí pozostawił wprawdzie projekty świątyni, ale zostały zniszczone w czasie hiszpańskiej wojny domowej przez katalońskich anarchistów. W 1936 r. sama świątynia też nie uniknęła profanacji i zniszczeń.

Dokończenie oryginalnego dzieła Gaudiego stało się wyjątkowym wyzwaniem. W 1940 r. podjęto jednak prace, które trwają do dziś. W 2007 roku czas dokończenia budowli oszacowano na ponad 120 lat.