W założeniu architekta sama konstrukcja budowli miała przypominać jeden wielki organizm. Budowę świątyni rozpoczęto w 1882 roku. Początkowo jej projekt zlecono innemu architektowi, ale ten wszedł w konflikt ze stowarzyszeniem finansującym budowę świątyni. Wówczas zlecenie na budowę otrzymał Gaudí, który całkowicie zmienił projekt, nadając mu własny styl. Przez następne cztery dekady pracował intensywnie nad konstrukcją, poświęcając jej całkowicie ostatnie 15 lat życia. Podczas prac nieustannie dostosowywał i zmieniał pierwotne założenia.

Z wszystkich 18 wież 4 ukończono w 1920 roku jeszcze za życia Gaudiego. Sześć lat później architekt zginął, wpadając pod przejeżdżający tramwaj, pozostawiając tylko jedną z trzech zaprojektowanych fasad. Pochowano go w krypcie wewnątrz kościoła. Fasada Narodzenia oraz krypta to jedyne ukończone elementy świątyni za życia architekta, który był świadomy tego, iż nie dożyje zakończenia budowy. Budowa jest w całości realizowana z dobrowolnych datków wiernych oraz biletów wstępu.

Z powodu organicznej formy budowli oraz niepowtarzalności detali architektonicznych (tak jak w naturze żaden z nich nie jest identyczny i musi być osobno rzeźbiony) do dziś nie zdołano jej ukończyć. Projekty świątyni pozostawione przez architekta zostały zniszczone w czasie hiszpańskiej wojny domowej przez katalońskich anarchistów.

W 2005 roku Fasada Narodzenia oraz krypta bazyliki zostały wpisane na Listę światowego dziedzictwa UNESCO.

7 listopada 2010 w niedzielę podczas uroczystej mszy świętej, w której uczestniczyło 62 tys. osób, papież Benedykt XVI konsekrował Świątynię Świętej Rodziny (Sagrada Familia) podnosząc ją do godności bazyliki mniejszej[1].

W październiku 2018 poinformowano, iż świątynia od 136 lat budowana jest bez pozwolenia. Nie jest to ścisła prawda, ponieważ Gaudi uzyskał w 1885 stosowne zezwolenie, od władz miejskich Sant Marti de Provenals, właściwych ze względu na usytuowanie miejsca budowy, a obecnie stanowiącym część Barcelony. Strony sporu doszły jednak do porozumienia i kuria diecezjalna musi zapłacić 41 milionów dolarów amerykańskich[2].

22 lutego 2019 urząd miejski w Barcelonie zatwierdził decyzję o wydaniu pozwolenia na budowę w tym mieście bazyliki Sagrada Familia. Według umowy władze bazyliki w ciągu 10 lat przekażą na rzecz miasta kwotę 36 mln euro. Datą ukończenia bazyliki miał być 2026 rok, w którym przypada stulecie śmierci głównego architekta świątyni Antoniego Gaudiego, jednak termin nie zostanie dotrzymany ze względu na pandemię COVID[3].