Mε την ίδρυση του νεοελληνικού κράτους και τον ορισμό της Αθήνας ως πρωτεύουσα της χώρας, κρίθηκε απαραίτητο να δημιουργηθεί μια μητροπολιτική εκκλησία στο κέντρο της πόλης. Οι πρώτες σκέψεις ήταν να χτιστεί κοντά στην πλατεία Συντάγματος ή στην πλατεία Ομονοίας.

Η δεύτερη πρόταση ήταν να χτιστεί στην περιοχή που βρίσκεται σήμερα η καθολική εκκλησία του Αγίου Διονυσίου στην Πανεπιστημίου, αλλά απορρίφθηκε επειδή θεωρήθηκε ερημική και απόμακρη! Τελικά οικοδομήθηκε στο κέντρο της παλαιάς Αθήνας, στην περιοχή της Πλάκας.

Στην πλατεία, που βρίσκεται σήμερα ο ναός, παλαιότερα υπήρχαν κτίσματα τα οποία κατεδαφίστηκαν. Δίπλα της περνούσε η οδός «Ντέκα» που ξεκινούσε από το Σύνταγμα και κατέληγε στο Μοναστηράκι, η οποία μετά την αποπεράτωση του ναού ονομάστηκε Μητροπόλεως. Χρειάστηκαν 20 χρόνια και συνολικά 3 αρχιτέκτονες για να ολοκληρωθεί, λόγω οικονομικών προβλημάτων. Μέχρι την οικοδόμηση της, ως μητροπολιτικός ναός λειτουργούσε η εκκλησία της Αγίας Ειρήνης στην οδό Αιόλου.

Οι εργασίες ξεκίνησαν το 1842 και τον σχεδιασμό ανέλαβε ο Δανός αρχιτέκτονας Θεόφιλος Χάνσεν, που σχεδίασε την Ακαδημία Αθηνών και

την Εθνική Βιβλιοθήκη. Τα πρώτα αρχιτεκτονικά σχέδια του Χάνσεν ήταν ένας συνδυασμός δυτικών στοιχείων αναγεννησιακού και γοτθικού χαρακτήρα. 

Ωστόσο, οι εργασίες διακόπηκαν μετά από έναν χρόνο λόγω έλλειψης χρημάτων. Το υπέρογκο για την εποχή ποσό κατασκευής, καλύφθηκε από εράνους, από την εκποίηση εκκλησιαστικής περιουσίας και από προσωπικές δωρεές του Βασιλιά Όθωνα και του ευεργέτη Γεωργίου Σινά. Συνολικά 72 εκκλησίες κατεδαφίστηκαν για να χρησιμοποιήσουν το υλικό τους στην οικοδόμηση της Μητρόπολης

Τη συνέχεια των εργασιών ανέλαβε ο

Δημήτριος Ζέζος, ο οποίος πρόσθεσε βυζαντινά στοιχεία. Ωστόσο το 1857 πέθανε δίχως να καταφέρει να παραδώσει το έργο. Για την τελική μορφή της εκκλησίας, που είναι τρίκλιτη βασιλική με τρούλο με βυζαντινά και νεοκλασικά στοιχεία, υπεύθυνοι είναι ο Γάλλος αρχιτέκτονας Francois Boulanger και ο Παναγιώτης Κάλκος.

Η Μητρόπολη της Αθήνας είναι συνδεδεμένη με σημαντικές στιγμές της νεοελληνικής ιστορίας. Το χτύπημα των καμπανών της σήμανε άλλοτε χαρμόσυνα και άλλοτε δυσάρεστα γεγονότα. Εκεί εορτάστηκε το 1864 η Ένωση των Επτανήσων με την υπόλοιπη Ελλάδα, οι στέψεις, και οι γάμοι των Ελλήνων Βασιλέων καθώς και οι κηδείες πρωθυπουργών και άλλων σημαντικών προσώπων. Τα τελευταία χρόνια η εκκλησία βρίσκεται με σκαλωσιές και επισκευάζεται από τις ζημιές που προκλήθηκαν από τους σεισμούς που έπληξαν την Αθήνα το 1981 και 1999.