La iglesia es una basílica de tres naves de estilo neorrenacentista . Planos encargados de hacer al famoso arquitecto alemán Leo von Klenze , por mandato del rey Otto de Grecia . La arquitectura está influenciada por la Abadía de San Bonifacio en Munich. Durante el proyecto, los planos fueron modificados por el arquitecto griego Lysandros Kaftanzoglou , quien se ofreció a dirigir las obras de la iglesia, hasta su finalización, sin remuneración alguna. El terreno para la construcción de la iglesia fue comprado en 1847 con dinero recolectado entre los católicos romanos de Grecia, mientras que el edificio fue construido por recaudadores de fondos entre los católicos tanto dentro como fuera del país. La nave fue construida en 1853 y la inauguración tuvo lugar el 4 de agosto de 1865.
La iglesia tiene 38 metros de largo, 15 metros de alto y 24 metros de ancho. El interior de la iglesia está decorado con hermosos frescos. De los más bellos es el fresco de semicúpulas de arco de triunfo, que representa la Apoteosis de San Dionisio el Areopagita (1890) y es obra del pintor italiano de Rimini Guglielmo Bilancioni (1836-1907). Los pilares, que sostienen el arco de triunfo, representan en tamaño natural a los cuatro evangelistas . Frente al arco triunfal se representa a Cristo Pantocrátor con el Evangelio en la mano. En la esquina adyacente a la derecha está Moisés sosteniendo un pergamino, y a la izquierda el Profeta David tocando un arpa. A continuación se encuentran San Gregorio Magno y San Agustín. El suelo de la iglesia está pavimentado con mármol Pentelic.. La nave está sostenida por 12 columnas de 5 metros de mármol verde de Tinos . La plataforma de danza sobre la entrada principal del templo, que también es el órgano de tubos , fue construida en 1888 por el arquitecto Paul Sambi (Paul Chambaut). A derecha e izquierda de la entrada principal hay dos inscripciones, una en latín y la otra en griego moderno, que conmemoran la visita ateniense del papa Juan Pablo II en 2001. Finalmente, a derecha e izquierda del santuario hay dos púlpitos de mármol, donados por Franz Joseph I de Austria cuando visitó Atenas en 1869.
Las ocho vidrieras a ambos lados de la parte inferior de la iglesia fueron pintadas por el director de los talleres reales de Munich Carl de Boucher (Karl de Bouchet) y donadas por el rey Luis de Baviera.
