Ο μεγαλοπρεπής ναός θεμελιώθηκε το 1849 με σχέδια του Γ. Μεταξά, και εγκαινιάστηκε επισήμως το 1870, χωρίς να έχει ολοκληρωθεί ο εσωτερικός διάκοσμος. Σε σχήμα σταυρού, είναι τοποθετημένος σε υπερυψωμένη αυλή με μαρμάρινο στηθαίο και κιγκλίδωμα. Ανήκει στον τύπο της βασιλικής με τρούλο. Σκάλα ύψους 4 μ. οδηγεί στο ολομάρμαρο κεντρικό τμήμα της πρόσοψης, που έχει στο ισόγειο πρόπυλο με μορφή στοάς σε τέσσερις ιωνικούς κίονες και δυο παραστάδες με κορινθιακά επίκρανα. Στέφεται με αέτωμα και πλαισιώνεται από τους πύργους των κωδωνοστασίων. Οι πλάγιες όψεις διαιρούνται σε όλο το ύφος από παραστάδες με μαρμάρινα κορινθιακά επίκρανα και βάσεις. Τα πλαίσια των ανοιγμάτων είναι μαρμάρινα με εξαιρετική διακόσμηση. Ο τρούλος εδράζεται σε μαρμάρινους κορινθιακούς κίονες που πλαισιώνουν δίλοβα παράθυρα.
Εσωτερικά, τοξοστοιχίες σε πεσσούς χωρίζουν τον ναό σε τρία κλίτη και γυναικωνίτης περιτρέχει τις τρεις πλευρές του. Κυριαρχεί το μάρμαρο, που προσδίδει ξεχωριστή αίγλη στον ναό: μαρμάρινοι κορινθιακοί κίονες, υπέρθυρα με ανάγλυφες φυτικές διακοσμήσεις, πλακόστρωση σε χρώμα γκρι - γαλάζιο. Το θαυμάσιο μαρμάρινο τέμπλο έγινε μετά από πανελλήνιο διαγωνισμό που προκήρυξε ο Δήμος (1871). Δεν γνωρίζουμε τον σχεδιαστή, κατασκευάστηκε όμως από τον Τήνιο γλύπτη Γεώργιο Βιτάλη στα 1883-1899. Είναι από πεντελικό μάρμαρο, με ένθετα μάρμαρα Ιταλίας στα πλαίσια και τη βάση. Καλύπτεται από ανάγλυφα και εγχάρακτα κοσμήματα τονισμένα με χρυσό. Εντυπωσιακοί είναι οι ανάγλυφοι καθιστοί άγγελοι της Ωραίας Πύλης. Ο μαρμάρινος άμβωνας (δωρεά Δ.Βαφιαδάκη, 1868) σχεδιάστηκε από τον Αντ. Φραγκούλη με βάση τον άμβωνα της Μητρόπολης Αθηνών, έργο του Γεωργίου Φυτάλη. Ο μαρμάρινος επισκοπικός θρόνος ήταν δωρεά των Σταμ. και Αγγελικής Κ. Πρωίου. Στα 1903-1905 διακοσμήθηκαν οι τοίχοι από τους Πέτρο και Αλέξανδρο Μπόγια. Φορητές εικόνες διαφόρων αγιογράφων: Ι. Στάη, Α.Γ. Βεβελάκη, Ι. Παππαδάκη, Ε. Αρμενοπούλου, Α. Γενναδίου, Λ.Δ. Τρούμπου κ.ά. Δύο ξύλινα προσκυνητάρια ζωγραφισμένα στα 1864-1866 από τον Τήνιο Φραγκίσκο Δεσίπρη. Οι εικόνες δεξιά και αριστερά της Ωραίας Πύλης είναι έργα μοναχών του Αγίου Όρους (αρχές του 20ού αϊ.). Δύο εικόνες πάνω από την Ωραία Πύλη, ο Μυστικός Δείπνος και η Αποκαθήλωση, είναι έργα Ρώσων αγιογράφων και δωρίθηκαν το 1894 από τον Θεμιστοκλή Ζ. Πετροκόκκινο, που ζούσε στη Ρωσία.
Από το 1841 είχε αποφασίσει ο Δήμος την ανέγερση μιας νέας εκκλησίας και πολλά σχέδια έγιναν γι' αυτήν. Το 1847 ο Λ. Ζαβός κατασκεύασε ξύλινη μακέτα του ναού. Το τελικό σχέδιο του Γ. Μεταξά χαλκογραφήθηκε και κυκλοφόρησε για να προσελκύσει ευεργέτες. Και πράγματι, ο περίλαμπρος ναός, εκτός από τον Δήμο, ευεργετήθηκε από τον Όθωνα, τον βαρόνο Σίνα, Έλληνες ομογενείς της Ρωσίας, Χιώτες κ.ά. (βλ. αφιερωματικές πλάκες στην είσοδο). Πολλοί αρχιτέκτονες πήραν μέρος στην ολοκλήρωση, οι κυριότεροι ήταν οι αρχιτέκτονες του Δήμου Α. Ζηνόπουλος, Ι. Βλυσίδης και Δ. Ελευθεριάδης, και ο Γάλλος J.Vaugarni.
