Byggingen av kirken begynte i 1882. Et år senere ble Antoni Gaudí utnevnt til prosjektleder. Han endret den opprinnelige konstruksjonen og begynte å bygge templet etter sine egne planer. Dette ble hans livsverk, og han arbeidet med basilikaen frem til sin død i 1926. Den uferdige basilikaen ble delvis ødelagt under den spanske borgerkrigen. Også hans atelier, som inneholdt brorparten av skisser og arbeidstegninger, ble herjet av brann. Bare skalamodellene i gips ble reddet ut i biter og senere forsøkt rekonstruert. De ødelagte delene ble senere restaurert og byggearbeidet gjenopptatt. Konstruksjonen av basilikaen pågår fortsatt etter Gaudís skisser. En del av løsningene som har blitt valgt etter Gaudís død, har vært omdiskutert. Flere av de opprinnelige skulpturene på fasaden er rekonstruert. Til de nyere fasadene har man tilsatt billedhoggeren Josep Maria Subirachs som arbeider etter Gaudìs planer, men med sitt eget uttrykk. Den japanske skulptøren Etsuro Sotoo står for mange av dekordetaljene, som «fruktene» på spirene.