Проект собора был изначально разработан архитектором Франсиско дель Вильяр (Francisco de Paula del Villar y Lozano), который спустя год после начала строительства был замещён Антонио Гауди. Гауди полностью переработал проект, выполнив его в смеси стилей арт-нуво и модерна. Финансирование строительства производилось по подписке, из пожертвований католической общины и государственных грантов.
В 1882 году городские власти Барселоны начали строительство церкви, посвящённой Святому Семейству - Саграда Фамилия. Для нового храма был выделен свободный участок, находившийся в то время в нескольких километрах от города. Первоначальный проект храма принадлежит архитектору Франческо дель Вильяру. Дель Вильяр задумал возвести церковь в неоготическом стиле, но успел построить только крипту под апсидой. В 1891 году главным архитектором строительства стал Антонио Гауди. Строительство Саграда Фамилия продолжалось все последующие годы жизни Гауди. На вопросы о необычно долгой длительности работ он отвечал: «Мой клиент не торопится». С самого начала Гауди решил не следовать путём обычной архитектуры неоготического стиля. Церковь должна была быть готической только по духу и в основных формах, имея план в форме "латинского креста", но во всём остальном архитектор намеревался использовать свой собственный язык визуальных образов. По мере того, как строительство прогрессировало, собор приобретал свой необычный для католического храма вид: веретенообразные башни, по форме напоминающие песчаные замки, элементы крыши, выполненные в стиле кубизма.
Сдедуя своему обычному методу, Гауди не составлял предварительных планов работ. Он, скорее, набрасывал в общих чертах основные формы строительства, а затем импровизировал конструкции и детали по мере продвижения вперёд. Для этого ему необходимо было постоянно присутствовать на строительной площадке, и в итоге он переселился в одну из комнат в недостроенном здании собора. Наблюдая за постройкой, Гауди постоянно вмешивался в ход работ: ему приходили в голову неожиданные мысли и он стремился их воплотить, иногда даже останавливая работы и ломая построенное... Так над домами Барселоны начало подниматься одно из самых удивительных в мире сооружений, вызвавшее некоторое замешательство у горожан: какая же это церковь? Это не то муравейник, не то вырастающий из земли сталагмит, каменная сосулька! По замысду Гауди все три фасада Саграда Фамилии должны были иметь стилистически одинаковое оформление и увенчиваться четырьмя высокими башнями криволинейных очертаний. В результате над храмом возвышались бы двенадцать башен, каждая из которых символизировала бы одного из двенадцати апостолов. А каждый из трёх фасадов был посвящён одному из трёх центральных сюжетов земной жизни Христа: "Рождество", "Страсти Христовы" и "Воскресение". По замыслу Гауди, фасады должны были украшать огромные панно и рельефы на соответствующие темы.
Не смотря на то, что Гауди строил храм на протяжении тридцати пяти лет, ему удалось возвести и оформить только Рождественский фасад, конструктивно являющийся восточной частью трансепта, и четыре башни над ним. Западная часть трансепта и апсида, составляющие большую часть этого величественного здания, до сих пор не достроены. Более того - и сам Рождественский фасад был достроен только в 1950-е годы.
Гауди особенно трепетно относился к внутреннему убранству Храма Святого Семейства. Колонны, поддерживающие своды, символизировали апостолов и святых, которым посвящены приходские церкви всего мира. Необычна и форма колонн. В них Гауди использовал различные виды многоугольников, которые изменяются по мере движения ввысь. Колонны напоминают гигантские деревья, на кронах которых застыл небесный свод. "Это будет подобно лесу. Мягкий свет будет литься через оконные проёмы, находящиеся на различной высоте, и вам покажется, что это светят звёзды", - писал Гауди.
С 1914 года Гауди все силы отдавал только строительству своего храма. Церковь стала его навязчивой идеей. Углубляясь в себя, он становился всё более эксцентричным, свято верил в своё мессианское предназначение, жил отшельником в своей мастерской, расположенной на строительной площадке, и выходил только время от времени "с шапкой в руке" для сбора средств на строительство церкви (решением инициаторов основания храма - Ассоциации почитателей Св.Иосифа - строительство должно было финансироваться только за счет пожертвований прихожан, поэтому работы не раз приостанавливались из-за нехватки средств). Однажды, в 1926 году, направляясь в близлежащую церковь к вечерне, недалеко от строительной площадки Гауди был сбит трамваем. Никто не узнал в старике, одетом в поношенную одежду и похожем на бродягу, известного всей Барселоне архитектора. Он был отправлен в госпиталь Святого Петра и Святого Креста - больницу для бедных. Через два дня в возрасте 74 лет Антонио Гауди умер. Он похоронен в крипте недостроенного им собора.
