Proiectul nu i-a aparţinut de la început lui Antoni Gaudi, alt arhitect, anume Francisco de Paula del Villar y Lozano, fiind însărcinat să-l realizeze. Acesta a proiectat o catedrală neo-gotică şi a condus lucrările de construcţie care au fost începute în anul 1882.
Un an mai târziu, arhitectul modernist Antoni Gaudi a preluat conducerea proiectului. Gaudi nu a rămas fidel planurilor originale, schimbând aproape complet forma clădirii. Astfel, timp de 43 de ani, Gaudi a adăugat structurii gotice iniţiale improvizaţii bizare şi turnuri, indică sursa citată. Proiectul lui Gaudi conţine 18 turnuri dedicate celor 12 apostoli, patru evanghelişti, lui Iisus şi Fecioarei Maria şi include elemente moderniste, de Art Nouveau precum şi gotice tradiţionale.
Când Antoni Gaudi a murit, în anul 1926, erau gata doar o faţadă (cea a Naşterii), un turn, absida şi cripta. După moartea lui Gaudi, lucrările la catedrala Sagrada Familia au avansat greoi datorită fondurilor precare şi a războiului civil din Spania. Lucrările au fost reluate în 1950. Proiectului lui Gaudi i-au fost adăugate ulterior câteva elemente stilistice noi.
Catedrala are trei mari faţade, care domină exteriorul. Prima faţadă, îndreptată spre est, este cunoscută ca faţada Naşterii. A fost terminată de Gaudi şi decorată în stil baroc, cu motive din natură. Pe partea opusă acesteia se află faţada Patimilor, a cărei construcţie a început în anul 1952, şi ale cărei statui abstracte înfăţişând pe Iisus au fost adăugate în 1978. Faţada Slavei, cea la care se lucrează cel mai mult şi în prezent, este mai mult ascunsă sub elemente arhitecturale şi arcade. O particularitate a catedralei o reprezintă turnul clopotniţă, care atinge 170 metri înălţime, fiind cel mai mare turn de acest tip construit vreodată, potrivit www.crestinortodox.ro.
În 2010 s-au încheiat lucrările la nava centrală a catedralei şi au fost instalate ferestrele cu vitralii. La 7 noiembrie 2010 Papa Benedict al XVI-lea a sfinţit catedrala Sagrada Familia, slujba de sfinţire fiind urmărită de zeci de mii de persoane.
Construcţia catedralei Sagrada Familia este prevăzută să fie finalizată în 2026, cu ocazia centenarului morţii lui Gaudi. De altfel, catedrala adăposteşte şi cripta unde este înmormântat celebrul arhitect.
Sagrada Familia este unul dintre cele mai vizitate monumente din Barcelona. În 2017, spre exemplu, aceasta a fost vizitată de aproximativ 4,5 milioane de turişti.
