Driehonderd jaar nadat de islamitische heerser over Servië de resten van de heilige Sava liet verbranden, richtte men in Belgrado een vereniging op met als doel om op dezelfde plek een kerk te bouwen. Een eerste aanzet was de bouw van een kleine kerk op de toekomstige plaats van de kathedraal. In 1905 werd een publieke wedstrijd uitgeschreven voor het ontwerp van de kathedraal. Er werden vijf inschrijvingen ontvangen, maar alle ontwerpen werden afgewezen. Door het uitbreken van de Balkanoorlogen en de Eerste Wereldoorlog liepen de bouwplannen ernstige vertraging op. Na de oorlog zette de vereniging haar activiteiten voort en in 1926 werd opnieuw verzocht om ontwerpen voor de kerk. Deze keer werden er 22 ontwerpen ingediend. Het project van de architect Aleksandar Deroko werd uitverkozen.

De bouw begon op 10 mei 1935 en de eerste steen werd gelegd door bisschop Gavrilo Dožić-Medenica (de toekomstige Servische patriarch, ook bekend als Gavrillo V). De aanval van de asmogendheden op het Koninkrijk Joegoslavië in 1941 leidde echter opnieuw tot stopzetting van de bouwactiviteiten. Tot op dat moment was de fundering voltooid en stonden de muren tot 7-11 meter hoog. De onvoltooide kerk werd tijdens de oorlog door zowel het Duitse leger als later het Rode Leger gebruikt als parkeerterrein. Na de oorlog werd het terrein door verschillende bedrijven in gebruik genomen als opslagplek. De vereniging die zich inzette voor de bouw van de kathedraal werd opgeheven.

In 1958 werd vanuit de orthodoxe kerk opnieuw een poging ondernomen om de bouw van de kerk weer vlot te trekken. Na 88 verzoeken van de patriarch en evenzoveel weigeringen, werd uiteindelijk in 1984 toestemming verleend om de kathedraal te voltooien. Als nieuwe architect werd Branko Pešić uitverkozen. Met behulp van nieuwe materialen en modernere technieken vervolmaakte hij het originele ontwerp. Op 12 augustus 1985 werd begonnen met de bouw. De muren werden opgetrokken tot 40 meter. De grootste prestatie werd bereikt met het optillen van de enorme centrale koepel van 4.000 ton die op de grond werd gebouwd. Het plaatsen van de koepel duurde 40 dagen; op 26 juni 1989 was dat werk af. Later werden de klokken geïnstalleerd en de gevel voltooid. Het interieur was in augustus 2021 grotendeels gereed. Het beeld van de heilige Sava dat voor de kerk staat, is een geschenk van de Russisch-orthodoxe Kerk.