На едноименен площад в центъра на столицата се издига величественият катедрален храм на Софийската св. митрополия - „Света Неделя”. Той е посветен на св. великомъченица Кириакия (или Неделя, на славянски). За твърдо и достойно изповядване на Христовата вяра красивата девица била жестоко измъчвана, а след това осъдена на посичане с меч. На 7 юли 289 г. в град Никомидия (Мала Азия) Бог приел чистата й душа, преди мечът на палача да пролее невинната й кръв. По времето на царуването на Асеневци (XII-XIII в.) мощите на светицата били пренесени в тогавашната столица Търново. По-късно св. Евтимий, Патриарх Търновски, написал „Похвала на светата великомъченица Неделя”.
През 1578 г. немският пътешественик Стефан Герлах посещава София и дава списък на 12-те софийски църкви. Сред тях е и църквата с гръцкото название „Кириаки”, наречена още църква „Иисус Христос” или „Господня църква”. Гръцката дума „Кириаки” означава „Господня” („църква”), но също така и „неделя”. Предполага се, че първоначално храмът е бил посветен на Господа, но впоследствие е приел името „Неделя”, което се е разбирало в смисъл „Св. Неделя”.
През XIX и първите десетилетия на XX век храмът се наричал и „Свети Крал”, тъй като в него се съхранявали мощите на сръбския крал Стефан Урош II Милутин (1282-1321). Около 1460 г. по време на чумна епидемия Софийският митрополит Силваний ги пренесъл от селището Трепче, северно от Прищина, в днешния Люлински манастир „Св. Кирил и Методий” (наричан и „Св. Крал”). Впоследствие те били пренесени последователно в ротондата „Св. Георги”, в храма „Св. Безплътни сили” (или „Св. Архангели”), в митрополитската църква „Св. Марина”. Вероятно в началото на XVIII в. храм „Св. Неделя” станал митрополитски и мощите на сръбския крал били пренесени в него.
Древното минало на катедралата е забулено в неизвестност. Вероятно храмът е бил построен през X в. и както други тогавашни софийски храмове е бил с каменни основи, а нагоре с дървена конструкция. През втората половина на XIV в. тези дървени храмове били изградени от камък. Неизвестно защо само „Св. Неделя” останала дървена и в този си вид храмът просъществувал чак до средата на XIX в.
В началото на 50-те години на XIX в. Софийската митрополия и Софийската градска църковна община решили да изградят нов величествен катедрален храм. Събирането на даренията започнало през пролетта на 1853 г. На 25 април 1856 г. ентусиазираните софиянци започнали да събарят старата и прогнила църква „Св. Неделя”. На 7 май с. г. било извършено водоосвещение и започнали изкопаването на основите на новия храм.
През лятото на 1856 г. започнал същинският строеж на сградата. Тя била трикорабна базилика, с размери: дължина - 35,5 м и ширина 19 м. Ръководител на строежа бил пещерският майстор Петър Казов (преселник от Македония), който ръководел 30-40 майстори-дюлгери. Към есента на 1858 г. новата църква била пред завършване, но пострадала от силно земетресение. Възстановяването на щетите погълнало доста непредвидени средства. До есента на 1860 г. по строежа на храма софиянци изразходвали над половин милион гроша. Станали и някои спречквания между градските първенци заради обвинения в присвояване на църковни пари и работата замряла. Наложило се майстор Петър Казов да прекрати строежа, като поставил на храма временен покрив.

През 1863 г. софийските първенци решават да доизкарат църквата „Св. Неделя” и сключват договор с брациговския майстор-строител Иван Хр. Боянин, обещал да завърши църквата до Димитровден. Той премахва временния покрив, увеличава височината на зидовете с няколко метра, поставя три купола с две малки камбанарийки в западния край на покрива, а от север, запад и юг изгражда каменна аркадна нартика с 16 слепи купола.
През есента на 1863 г. строежът на новата църква е завършен. Украсяването й се проточва още няколко години и това забавя освещаването й. От 1863 до 1865 г. резбарят Антон Станишев изработва иконостаса. Част от иконостасните икони изписва големият живописец Станислав Доспевски. Освещаването на храма се извършва на големия общославянски празник 11 май 1867 г. Поради липсата на архиерей службата се води от архимандрит Хрисант Дойчинов от Самоков в съслужение с 12 свещеници и много дякони. Вероятно освещаването става с полагане на предварително осветен антиминс с втъкани в него св. мощи. Присъстват над 20 000 души, между които и много гости от епархията.
На 15 октомври 1872 г. архимандрит Мелетий Зографски (1832-1891) е избран и хиротонисан за Софийски екзархийски митрополит. Той пристига в София на 3 март 1873 г. и поема управлението на разстроената епархия. Освещаването на централния престол е извършено от него на 12 август 1877 г.
При временното руско управление (1877-1879) княз А. М. Дондуков-Корсаков подарява на храма комплект от 8 камбани с различна големина. Малките камбанарийки се оказват непригодни за тях и през 1879 г. се изгражда нова камбанария в южната част на храмовия двор.
В края на XIX в. във връзка с мащабните градоустройствени промени в центъра на столицата църковното настоятелство решава да укрепи околния терен и да придаде по-представителен външен вид на храма. Проектирането е възложено през 1898 г. на младия български архитект Никола Лазаров. Без да бъдат прекъсвани службите в храма, за три години е извършено грандиозно преустройство. От западната страна на храма изграждат величествена камбанария. Постепенно били свалени трите купола и покривът, като на тяхно място били поставени пет нови купола - един голям централен, фланкиран от четири по-малки. Всички храмови стени били облицовани с тухлена зидария. Укрепена била и терасата, на която се оказала църквата след регулиране нивото на околните улици. Били изградени широки стълбища откъм север, запад и юг. За цялостното обновление на храма били похарчени 136 000 златни лева.
На 20 юни 1915 г. почива екзарх Йосиф I. Той е погребан от южната страна на храма, в близост до страничната олтарна врата. Три години по-късно почива Софийският митрополит Партений, който е погребан от северната страна на храма.
На 16 април 1925 г. катедралата става арена на една от най-трагичните драми в историята на България. Военната организация на БКП организира жесток терористичен акт - поставят взривно устройство в югозападния купол на храма. При опелото на убития запасен генерал Коста Георгиев в храма присъствали всички министри, много генерали и офицери, държавни и политически дейци, както и много граждани. Очаквало се и пристигането на цар Борис III, който малко закъснял. Опелото извършвал лично Софийският митрополит Стефан, когато мощен взрив разрушава голяма част от покрива и част от южната храмова стена. Убити са общо 193 души, а ранени - около 500.
След този кървав терористичен акт църковното настоятелство възлага отново на архитект Н. Лазаров възобновяването на храма. Ремонтът започва през юни 1927 г. При проведения търг се приема офертата на архитектурно бюро Иван Васильов и Димитър Цолов. До пролетта на 1933 г. е изграден един почти нов, огромен централно-куполен храм с дължина - 30 м, ширина - 15,50 м и височина с купола - 31 м. В храма е върнат оцелелият двуредов позлатен иконостас.
Олтарната част на новия храм била значително разширена, като отново били оставени три престола. Централен - в чест на света великомъченица Неделя; северен - в чест на св. архангел Михаил и южен - на св. първомъченик и архидякон Стефан (все още неосветен). Пред този южен престол е поставена раклата с мощите на св. Стефан Милутин. В близост до нея се намира дърворезбеният архиерейски трон, изработен от Иван Травницки. В западната част на храма били разположени притворът, кръщелната, канцеларията на храма и свещопродавница. Под купола на камбанарията били окачени 11 камбани - 8 подарени от княз Дондуков-Корсаков през 1879 г., две изработени в Сърбия и една отлята в България.
Храмът е тържествено осветен на 7 април 1933 г. Стенописната украса е направена от 1971 до 1973 г. от художествен екип с ръководител Николай Ростовцев.