Marmorkirken

Det opprinnelige prosjektet

Hoffbyggmester Nicolai Eigtved fikk i oppgave å tegne kirken og lede byggeprosjektet. Man kjenner til minst 5 tegninger fra hans hånd fra årene 1750–1754. Kirkebyggingskommisjonen var imidlertid ikke helt tilfreds med Eigtveds prosjekter som var i en gammeldags rokokkostil. Det ble derfor innhentet forslag fra blant annet de franske arkitektene Ange-Jacques Gabriel og Nicolas-Henri Jardin. Man kjenner også til prosjekter fra Laurids de Thurah og Georg David Anthon.
Felles for de fleste av prosjektene var kirkens grunnplan; et rundt sentralt kirkerom med en stor tamburbåret kuppel, flankert av to mindre klokketårn og med tempelinnganger på øst–og vestsiden.   
Da Eigtved døde 7. juni 1754 ble Thurah satt inn som leder av byggingen. Men det skjedde ikke noe inntil Jardin ble hentet til Danmark og overtok ansvaret den 1. april 1756. Byggingen ble videreført etter Jardins egne tegninger som han publiserte i form av graveringer i henholdsvis 1765 og 1769 under navnet  Plans, coupes et élévations de l'église royale de Fréderic V. 
Det var Frederik den V som finansierte det kostbare prosjektet og da han døde i 1766 ble han etterfulgt på tronen av Christian VII. Han var ikke særlig interessert i å føre det videre. Byggingen fortsatte derfor for halv maskin inntil det stoppet helt i 1770 etter ordre fra kabinettminister Johann Friedrich Struensee. Man var på dette tidspunktet nådd opp til toppen av de nederste søylene i rotunden og inngangen på østsiden og litt lavere på vestsiden.
Det skulle nå gå over hundre år før det igjen ble bygget på kirken. Ikke at det skortet på idéer til videreføring av bygningen i mellomtiden; det kjennes til planer fra stort sett alle av tidens kjente arkitekter, bl.a. C.F. Harsdorff og G.F. Hetsch, men ingen av dem ble realisert.

Den eksisterende kirken

I 1874 kjøpte finansmannen C.F. Tietgen kirkeplassen med ruinen av staten. Staten hadde overtatt eierskapet fra kongehuset i 1849 med det formål å videreføre byggingen, noe som også ble satt som betingelse for kjøpet. Tietgen ønsket at kirken ikke bare skulle være et minne om kongehuset, men også et monument over N.F.S. Grundtvig og grundtvigianismen.
Tietgens plan var å la arkitekt Christian Zwingmann lede byggingen og benytte Ferdinand Meldahl som konsulent. Men da Zwingmann måtte legge ned sin arkitektvirksomhet i midten av 1870–årene pga. sykdom, overtok Meldahl ledelsen. Han hadde også sine egne meninger om hvordan bygningen skulle ferdigstilles. Meldahl overlot den daglige ledelse av byggingen til sin nære medarbeider arkitekt Albert Jensen.
Meldahls plan innebar at sidetårnene ble sløyfet og rotunden ble redusert i høyden. Planene ble for øvrig løpende justeret under byggingens gang. Tempelinngangen ble redusert til fire søyler i stedet for seks og helt sløyfet på St. Kongensgadesiden. Tamburen ble også lavere enn Jardins, men allikevel lyktes det Meldahl å komme nesten like så høyt i været takket være en oppadstrebende kuppelform og fremfor alt vesentlig høyere tårn og spir.
Byggeplassen ble åpnet igjen på slutten av 1877. I forbindelse med kjøpet i 1874 hadde Tietgen fått en 10 års frist til å fullføre kirken, men det tok allikevel 20 år. Blant annet viste det seg at ruinen var betydelig mer forvitret enn man hadde antatt på forhånd og man måtte derfor rive ned mer enn man hadde regnet med. Dessuten ble Tietgens forretninger påvirket av den internasjonale økonomiske depresjonen i disse årene og dette gjorde det vanskelig å skaffe midler til byggingen.
Imidlertid overvant man forhindringene og den 19. august 1894 kunne kirken innvies – 145 år etter at  grunnstenen ble lagt ned. Kirken var på dette tidspunkt fremdeles Tietgens private eiendom og han overdro den på samme dag til staten.

Kirkebygningen

Kirkens nederste del fremstår som en sirkulær ringmur med to firkantede tilbygg mot øst og vest hvor inngangspartiene er. Det er dessuten mindre dører på nord–og sydsiden. Hovedinngangen mot øst er forsynt med en søylebåret frontispis. Disse delene er kledd med grå marmor (norsk gjellebekkmarmor). Rotunden og tilbyggene toppes av en balustre som er utsmykket med vaser.
Over rotunden reiser tamburen seg som er delt i 12 deler med rundbuede nisjer med mindre rektangulære vinduer. Materialene er Fakse kalksten og Ølandssten. Tamburen toppes også av en balustre med vaser.
Tamburen bæres sammen med kuppelen av tolv innvendige søyler. Spennet er 31 m, noe som gjør den til Skandinavias største kirkekuppel. Kuppel og spir er kledd med kobber med forgylte detaljer. I tårnet er kirkens klokker. Spiret toppes av et kors med en strålekrans mellom armene. På den nedre delen finnes et filigranornament hvor C.F. Tietgens initialer er risset inn.
Innvendig avgrenses det sirkulære kirkerommet av de tolv søylene som bærer tambur og kuppel. Mellom søylene og yttermuren er det en smal gang. Over denne finnes en lav pulpituretasje.
Gulvet er grå terrazzo med sorte markeringer av gangarealer. I det hevede korområdet inngår det brune felter i mønsteret.
Loftshvelvingen starter rett over tamburens glassmosaikkvinduer, som er kirkerommets primære dagslyskilde, da lyset fra de fleste av vinduene i rotunden blokkeres av de tolv søylene.
Loftkuppelen er oppdelt i 12 felter av gipsstukk og i hvert felt er det et maleri av en apostel og over det et englebarn. Maleriene er utført av C.N. Overgaard, apostlene etter utkast av Henrik Olrik. Olrik døde da halvparten var gjort ferdig, så Anton Dorph utførte de seks resterende etter Olriks utkast.

Alter og prekestoler

Altertavlen er utført i furu og stukk som er dekorert som marmor i forskjellige farver. Den er tegnet av Meldahl og utført av billedhugger Hans Christian Petersen og snekker H.N. Andersen, stafferingen av maler C.N. Overgaard. Tavlen rammer inn alteret og det nesten 3 m høye alterkorset som er bak, som er utført av arkitekten Harald Garde.
På grunn av akustikken i kirken ble den innredet med to prekestoler i fremspring i korskranken på hver sin side av alteret. Dette fungerte imidlertid ikke tilfredsstillende og allerede året etter (1895) ble den sydlige sløyfet og den andre forsynt med en bakside og en lydhimmel tegnet av Meldahl. Delene var rikt utsmykket og ble utført av billedhugger Petersen og snekker Lars Jørgensen. Samtidig hengte man opp draperier i arkadene mellom søylene for å forbedre akustikken.
I 1930-31 ble Meldahls prekestol demontert og kassert og en ny ble murt opp i marmor ved den nordvestlige søylen. Den er tegnet av Emanuel Monberg og svært enkel av utforming.

Døpefonter

Den opprinnelige døpefonten var en gave til Tietgen og man hadde valgt både kunstner – Stephan Sinding – og utforming uten Meldahls godkjennelse. Verket var utført i bronse og omfattet i tillegg til selve fonten en to meter høy mannlig dåpsengel. 
1925 ble det reist en alternativ døpefont i korskrankens sydlige fremspring. Den er utført i grå–hvit marmor fra Sveits. Modellen er laget av Joakim Skovgaard etter forbilde av en «gammelkristelig font på Sicilia». 
Sindings bronsefont ble i mange år bevart i kirken rett nord for hovedinngangen, men ble senere flyttet til kirkens lille museum, som man passerer på vei til kuppelen.

Orgler

Kirkens opprinnelige orgel ble bygget i 1894 av Knud Olsen, København, etter Meldahls tegninger. Orgelet hadde 29 stemmer. Fasaden er inspirert av forbilder i Venezia og Roma og smykket ut med utskjæringsarbeider av H.Chr. Petersen. Orgelpulpituret er innfelt i en av åpningene mellom pilarene mot nord.
I 1963 ble et nytt orgel installert. Det er bygget av Marcussen & Søn etter tegninger av Rolf Graae. Det gamle orgelets fasade ble bevart, men piper fra elleve av stemmene ble gjenbrukt i det nye orgelet som har 51 stemmer. Det nye orgelet er plassert i åpningen mellom pilarene like syd for hovedinngangen.

Relieffer fra middelalderen

Marmorkirken har to relieffer fra en tidligere altertavle datert til ca. år 1500. Relieffene er i ek, utgjør et samlet hele og måler henholdsvis 115 x 40 x 11 cm og 88 x 35 x 11 cm. Releiffet viser nedtagelsen fra korset og i delen til høyre ser man jomfru Maria sammen med evangelisten Johannes.

Gravminner

Det er ingen kirkegård ved Marmorkirken, men det finnes en minnetavle i kirken over C.F. Tietgen og hustru. Den er utført av Niels Skovgaard rundt 1920.