1883-ban, 31 évesen kezdte építeni. Az építkezés költségeit adományokból fedezte az építtető, ennek köszönhetően a munkálatok igen lassan haladtak. Gaudí elődje, Villar gótikus stílusban képzelte a katedrálist, Gaudí azonban lágyított a gótika merev vonalain, kitágította az ablakokat, magasabbra emelte az íveket. Gaudí három főhomlokzatot álmodott, ebből máig egy készült el. Konkrét terveket nem készített, az építkezés folyamatában gondolta tovább a szerkezetet. A modellen 12 harangtorony szerepel, négy-négy a három főhomlokzaton. A tornyok felfelé csúcsosodnak.

A katedrális 12 tornyát az apostoloknak ajánlotta, másodsorban pedig a püspököket jelképezik, tetejükön a hatalmas toronygombbal püspöki mitraként hatnak a távolból, összességükben pedig a püspöki pásztorbotot jelképezik. A tizenkét torony közepén a tizenharmadik, a főtorony, Krisztus diadalát hirdeti. A falakat díszítő bibliai jelenetek sokasága igazolja, miszerint az építész nem egyszerű templomot, hanem kőből való Bibliát, nyitott könyvet akart létrehozni mindenki épülésére. Az eredeti elképzeléseknek megfelelően Gaudí öt hajós bazilikát álmodott, kereszt alakú alaprajzzal. A főhajó 95 m, a kereszthajó 60 m hosszú lenne. A tornyok 100 m magasak, a főtorony 170 m magasan emelkedne Barcelona fölé. A boltozat terhét a gótikus katedrálisokból ismert külső támpillérek helyett parabolaívek és ferde oszlopok tartanák. Az építkezés napjainkban is zajlik.