Είναι χτισμένος σε ρυθμό τρίκλιτης νεοαναγεννησιακής βασιλικής. Τα σχέδια έκανε ο Γερμανός αρχιτέκτονας Λέο φον Κλέντσε κατ’ εντολή του βασιλιά Όθωνα
Στην οδό Πανεπιστημίου 24 και Ομήρου, δίπλα ακριβώς από το κτήριο του Οφθαλμιατρείου Αθηνών, βρίσκεται ο καθολικός Καθεδρικός Ναός του Αγίου Διονυσίου του Αρεοπαγίτη· ένα αρχιτεκτονικό στολίδι του όμορφου δρόμου, το οποίο προσπερνάμε συχνά ανύποπτοι.
Είναι χτισμένος σε ρυθμό τρίκλιτης νεοαναγεννησιακής βασιλικής. Τα σχέδια έκανε ο Γερμανός αρχιτέκτονας Λέο φον Κλέντσε κατ’ εντολή του βασιλιά Όθωνα. Κατά την εκτέλεση του έργου ανέκυψαν οικονομικά προβλήματα. Λίγο αργότερα τα σχέδια τροποποιήθηκαν από τον Έλληνα αρχιτέκτονα Λύσανδρο Καυταντζόγλου, ο οποίος και προσφέρθηκε να διευθύνει τις εργασίες του ναού δίχως καμιά αμοιβή. Πρότεινε, μάλιστα, ο ναός να γίνει πιο μικρός, χωρίς κωδωνοστάσιο και με πιο λιτή διακόσμηση για να ταιριάζει στο αρχιτεκτονικό ύφος του αθηναϊκού νεοκλασικισμού, όπως και έγινε. Η ανέγερση χρηματοδοτήθηκε από εράνους των καθολικών της Ελλάδας εντός και εκτός χώρας. Τα εγκαίνια έγιναν στις 4 Αυγούστου 1865. Μέσα στα επόμενα δεκαπέντε χρόνια συμπληρώθηκε η κατασκευή του (ιερό βήμα, προπύλαια κ.λπ.), όπως και του διπλανού Αρχιεπισκοπικού Μεγάρου, έδρας του καθολικού αρχιεπισκόπου Αθηνών.
Ο ναός είναι λίγο υπερυψωμένος λόγω του οστεοφυλακίου που λειτουργούσε στο υπόγειο μέχρι το 1900.Το εσωτερικό του διακοσμείται με θαυμάσιες τοιχογραφίες. Από τις ωραιότερες είναι η τοιχογραφία του ημιθολίου της θριαμβευτικής αψίδας, που παριστάνει την «Αποθέωση του Αγίου Διονυσίου του Αρεοπαγίτη» και είναι έργο του Ιταλού ζωγράφου Γουλιέλμου Μπιλαντσιόνι. Στην πρόσοψη της θριαμβευτικής αψίδας εικονίζεται ο Χριστός Παντοκράτωρ με το Ευαγγέλιο στο χέρι. Το δάπεδο του ναού είναι στρωμένο με πεντελικό μάρμαρο. Το κεντρικό κλίτος στηρίζεται σε 12 κολόνες ύψους 5 μ. από πράσινο μάρμαρο της Τήνου. Η εξέδρα του χορού με το εκκλησιαστικό όργανο κατασκευάστηκε το 1888 σε σχέδια του αρχιτέκτονα Πολ Σαμπό. Δεξιά και αριστερά του ιερού υπάρχουν δύο μαρμάρινοι άμβωνες, δωρεά του αυτοκράτορα της Αυστρίας Φραγκίσκου Ιωσήφ. Δεκατέσσερις ανάγλυφες εικόνες που απεικονίζουν το Θείο Δράμα φιλοτεχνήθηκαν στη Μασσαλία, ενώ τα βιτρό στο Μόναχο.
Ο καθολικός ναός, όπως και οι ναοί άλλων δογμάτων, εκτός από την αισθητική τους αξία, συμβάλλουν στην αρμονική συνύπαρξη διαφορετικών θρησκευτικών στοιχείων στην πόλη.