Catedrala Patriarhală este situată pe Dealul Patriarhiei și a fost ctitorită de voievodul Constantin Șerban Basarab și soția acestuia, Bălașa, între anii 1654-1658. Biserica, poartă hramul Sfinților Împărați Constantin și Elena și a fost sfințită de patriarhul Macarie al Antiohiei si al Intregului Orient, împreuna cu mitropolitul Ștefan al Țării Românești și cu episcopii de Ramnic și de Buzău.
La scurt timp, locașul sfânt a fost transformat în Mitropolie. După Primul Război Mondial, Mitropolia a fost transformată în Patriarhie.
Biserica a fost pictată pentru prima dată în 1665 în timpul domniei voievodului Radu Leon. Tot el a hotărât ca mănăstirea să devină reședință mitropolitană. În 1925, când Biserica Ortodoxă Română a fost ridicată la rangul de Patriarhie, Reședința mitropolitană a devenit Reședința patriarhală, iar Catedrala mitropolitană a devenit, provizoriu, Catedrala Patriarhală, până la edificarea unei noi catedrale adecvate.
Între anii 1960 și 1962, Catedrala a fost restaurată. Lăcașul a fost construit după modelul arhitectural al Mănăstirii Curtea de Argeș, zidită de domnitorul Neagoe Basarab. Astfel, acesta este compus din altar și naos și un pronaos supralărgit.
La exterior, fațadele Catedralei sunt delimitate de jur împrejur în două registre printr-un brâu de piatră dispus cvasimedian. În pridvor, deasupra ușii de la intrare, se află icoana praznicară cu Sfinții Împărați Constantin și Elena, pictată în 1665.
Pictura murală actuală, în manieră neobizantină, a fost realizată de Dimitrie Belizarie, între anii 1932-1935, înlocuind-o pe cea de factură neoclasică a lui Nicolae Polcovnicul din perioada 1834-1839.
Catapeteasma este ornamentată cu o sculptură filigrană poleită în aur de o frumusețe deosebită. La fel de frumoase sunt si icoanele împărătești ale tâmplei care au fost lucrate de Otilia Oteteleșanu, între 1961-1964, în atelierele Patriarhiei.
Moaștele Sfântului Dimitrie cel Nou, așezate într-o frumoasă racla de argint, au fost aduse în Catedrala din satul Basarabi, de pe malul drept al Dunării, la 13 iulie 1774, de către mitropolitul Grigorie al II-lea.
Sfântul Dimitrie cel Nou este patronul spiritual al orașului București, iar ziua sa de prăznuire, 27 octombrie, este, în fiecare an, prilej de mare pelerinaj al credincioșilor din întreaga țară.
La răsărit de altarul Catedralei se află clopotnița ridicată de voievodul Constantin Brâncoveanu în 1698 și restaurată în 1956-1958. La nord de Catedrală au fost instalate în 1959, sub forma unui ansamblu numit Troița, trei cruci de piatră.
În anul 2008, prin directa îndrumare a Preafericitului Părinte Patriarh Daniel, s-au făcut noi și ample lucrări de consolidare și restaurare la Catedrala patriarhală. În această perioadă, s-au consolidat atât nava, cât și turlele bisericii.
De asemenea, s-a refăcut complet tencuiala exterioară, folosindu-se mortar special adus din Italia, s-a refăcut soclul și trotuarul Catedralei, s-au montat ferestre noi și s-a învelit din nou biserica și turlele cu tablă de plumb.
Tot atunci, în registrul de sus al pridvorului, s-au montat 26 de icoane în mozaic. Mai mult decât atât, au fost restaurate pictura, catapeteasma și mobilierul ornamental. Candelele, candelabrul mare de argint și vitraliile au fost și ele recondiționate, iar instalațiile au fost înlocuite complet.
În plus, clopotnița a primit 4 clopote noi, turnate la fabrica Grassmayr din Austria, fiind montat și un sistem de acționare electromecanic controlat prin computer.
Pe data de 26 octombrie 2008, la sărbătoarea Sfântului Mucenic Dimitrie, s-a săvârșit slujba de resfințire a Catedralei Patriarhale din București, la 350 de ani de la ctitorirea acestui sfânt locaș.
Slujba de resfințire a fost săvârșită de Preafericitul Părinte Patriarh Daniel, înconjurat de un sobor din care au făcut parte: 34 de ierarhi membri ai Sfântului Sinod al Bisericii Ortodoxe Române, Preasfințitul Epifanie Gattas Hazim, Episcop-vicar patriarhal, delegatul Patriarhului Ignatie al IV-lea al Antiohiei, preoți și diaconi.
În anul 2013, s-a construit în proximitatea Catedralei Patriarhale un altar de vară din lemn, în care se slujește de obicei la cele două hramuri, respectiv la sărbătoarea Sf. Împărați Constantin și Elena și la cea a Sf. Cuv. Dimitrie cel Nou, Ocrotitorul Bucureștilor.
În proximitatea Catedralei Patriarhale, paralel cu altarul de vară, s-a construit în anul 2015 un baldachin din lemn în care, la cele două hramuri ale Catedralei Patriarhale, după procesiune, sunt așezate spre închinare credincioșilor sfintele moaște ale Sf. Împărați Constantin și Elena, Sf. Cuv. Dimitrie cel Nou, dar și moaște ale altor sfinți care sunt aduse spre închinare credincioșilor îndeosebi la hramul Sf. Dimitrie cel Nou.
În prezent, Catedrala este integrată în Ansamblul Patriarhal, care cuprinde Catedrala Patriarhală, Palatul Patriarhiei (fostul palat al Camerei Deputaților) și Reședința Patriarhală.
Catedrala Patriarhală din București este inclusă în Lista monumentelor istorice din România.