L'arquitecte va projectar una església de planta basilical de cinc naus amb un creuer de tres, configurant una planta de creu llatina. L'estat actual de la construcció permet copsar les grans dimensions de les naus, que suportaran torres de gran alçària, la més alta de les quals mesurarà 170 metres. Aquesta representarà la imatge de Jesús i al seu voltant n'hi haurà quatre més, que representaran els quatre evangelistes. Al darrere d'aquestes i sobre l'absis se n'alçarà una altra, dedicada a la Verge Maria. Quatre torres més coronaran la façana de al Glòria, la del Naixement i la de la Passió (aquestes dues últimes ja en tenen consturïdes quatre per façana), que en el seu conjunt simbolitzaran els dotze apostòls, Acutalment, les grans dimensions de les torres construïes permeten veure l'estilització de l'edifici i la seva verticalitat, de resultat espectacular. Cal destacar que Gaudí projectà l'efici dins d'una illa de cases de l'Eixample, cosa que l'obligà a aprofitar el màxim l'espai, i per aquest motiu va concebre el claustre al voltant del temple, només interromput per les façanes de l'absis. Aquet, com tot l'edifici, té una presència important d'elements simbòlics, els quals no només adopten la forma arquitectònica sinó que també ho fan escultòricament, amb l'únic objectiu d'expressar la litúrgia.

La construcció del temple ha tingut diverses dates remarcables. Així, la primera pedra es posà el 19 de març de 1882, i aleshores es va començar la cripta, que s'enllestí el 1893. El 1894 s'inicià el claustre i el 1901 s'acabà la porta del Roser, un dels seus accessos. Paral·lelament es van fer els estudis de l'estructura de les naus, que quedaren completats el 1925. El primer campanar de la façana del Naixement (torre de Sant Bernabé) es va acabar el 1926 i és l'únic que Gaudí va veure finalitzat. Entre el 1892 i el 1917, l'arquitecte va fer múltiples estudis per a la façana de la Passió, que va ser començada a cosntruir el 1952 i que va tenir els campanars acabats el 1978.

L'estil del temple es basa en el gòtic a partir del desenvolupament d'estructures geomètriques reglades i l'aplicació, molt enguinyosa, d'elements decoratius. L'edifici recull l'essènica dels coneixements de Gaudí i la seva experiència constructiva. Cal destacar-hi l'estructura de la base paraboloïdal, la generació helicoïdal de les columnes de la nau central i la seva forma arborescent que suporta voltes de base hiperbòlica. També és remarcable la modulació interior les finestrals laterals que filtra i reparteix la llum, així com les plantes el·líptiques dels campanars foradats per unes escales de cargol funcionals.

Gaudí també s'encarregà del mobiliari litúrgic, com credences de ferro forjat, armaris, bancs de fusta i uns elaborats llums votius de ferro i vidre.

Des de l'any 1914, l'arquitecte es dedicà, quasi exlusivament, a construir la Sagrada Familia, un fet que explica la manca d'altres treballs importants en els darrers anys de la seva vida. D'ençà de la seva intervenció el 1883 i malgrat els actes vandàlics del 1936 que provocaren la cremada de l'obrador i la pèrdua de la major part del projecte, la construcció de l'església no s'ha aturat mai i les obres encara són costejades amb les almoines que aporten els fidels i amb les entrades dels nombrosos visitants.

En morir Gaudí, la direcció de les obres va ser assumida pel seu col·laborador Domènech Sugrañes i Gras fins al 1938. Després varen ser-ne directors Francesc de Paula Quintana Vidal, Isidre Puig Boada, Lluís Bonet Garí, Francesc de Paula Cardoner Blanch i Jordi Bonet Armengol, que n'és l'actual director. Des de l'any 1986, l'escultor Josep Maria Subirachs duu a terme l'obra escultòrica a la façana de la Passió. El Temple expiatori de la Sagrada Familia està inscrit al Catàleg del Patrimoni Arquitectònic de Barcelona i és Bé d'interès Cultural. És l'edifici més visitat de Barcelona.