Από το 1841 είχε αποφασίσει ο Δήμος Ερμουπόλη
ς την ανέγερση μιας νέας εκκλησίας. Το 1847 ο Λ. Ζαβός κατασκεύασε ξύλινη μακέτα του ναού. Το τελικό σχέδιο του Γ. Μεταξά χαλκογραφήθηκε και κυκλοφόρησε για να προσελκύσει ευεργέτες. Πολλοί αρχιτέκτονες πήραν μέρος στην ολοκλήρωσή του. Για τα οικοδομικά του σχέδια ενδιαφέρθηκε προσωπικά ο Βασιλιάς Όθων. Αφού ο ίδιος τα υπέγραψε, τα επικύρωσε με Βασιλικό Διάταγμα του 1851.
Ο ναός, σε σχήμα σταυρού, είναι τοποθετημένος σε υπερυψωμένη αυλή με μαρμάρινο στηθαίο και κιγκλίδωμα. Ανήκει στον τύπο της βασιλικής με τρούλο. Στέφεται με αέτωμα και πλαισιώνεται από τους πύργους των κωδωνοστασίων. Οι πλάγιες όψεις διαιρούνται σε όλο το ύψος από παραστάδες με μαρμάρινα κορινθιακά επίκρανα και βάσεις. Τα πλαίσια των ανοιγμάτων είναι μαρμάρινα, ενώ ο τρούλος εδράζεται σε μαρμάρινους κορινθιακούς κίονες που πλαισιώνουν δίλοβα παράθυρα.
Εσωτερικά, κυριαρχεί το μάρμαρο, που προσδίδει ξεχωριστή αίγλη στον ναό: μαρμάρινοι κορινθιακοί κίονες, υπέρθυρα με ανάγλυφες φυτικές διακοσμήσεις, πλακόστρωση σε χρώμα γκρι - γαλάζιο. Το μαρμάρινο τέμπλο έγινε μετά από πανελλήνιο διαγωνισμό που προκήρυξε ο Δήμος το 1871. Δεν γνωρίζουμε τον σχεδιαστή, κατασκευάστηκε όμως από τον γλύπτη Γεώργιο Βιτάλη το διάστημα 1883-1899.
Το διάστημα 1903-1905, διακοσμήθηκαν οι τοίχοι από τους Πέτρο και Αλέξανδρο Μπόγια με φορητές εικόνες διαφόρων αγιογράφων και δύο ξύλινα προσκυνητάρια ζωγραφισμένα το διάστημα 1864-1866 από τον Τήνιο Φραγκίσκο Δεσύπρη. Οι εικόνες δεξιά και αριστερά της Ωραίας Πύλης είναι έργα μοναχών του Αγίου Όρους από τις αρχές του 20ού αιώνα. Δύο εικόνες πάνω από την Ωραία Πύλη, ο Μυστικός Δείπνος και η Αποκαθήλωση, είναι έργα Ρώσων αγιογράφων.