Reşedinţa patriarhală şi Palatul Patriarhiei constituie un ansamblu de primă însemnătate al Bucureştilor, care datează de pe la mijlocul secolului al XVII-lea, o dată cu mănăstirea ctitorită în 1656 de voievodul Ţării Româneşti, Constantin Şerban Basarab (1654-1658).

Biserica cu hramul Sfinţii Împăraţi Constantin şi Elena a fost sfinţită în 1658 de Patriarhul Macarie al Antiohiei şi al Întregului Orient, împreuna cu Mitropolitul Ştefan al Ţării Româneşti şi cu episcopii de Râmnic şi de Buzău. Sfântul locaş a fost pictat pentru prima dată în 1665, în timpul domniei voievodului Radu Leon (1664-1669). Acelaşi domnitor a hotărât, prin hrisovul domnesc din 8 iunie 1668, ca mănăstirea să devină reşedinţă mitropolitană.

În 1925, când Biserica Ortodoxă Română a fost ridicată la rangul de Patriarhie, Reşedinţa mitropolitană a devenit Reşedinţa patriarhală iar Catedrala mitropolitană a devenit, provizoriu, Catedrala patriarhală, până la edificarea unei noi catedrale adecvate.

În decursul timpului, Catedrala şi Palatul cu paraclisul său au fost reparate, s-au făcut extinderi şi transformări, dintre care cele mai importante lucrări au avut loc între anii 1792-1799 (iniţiate de mitropoliţii Filaret al II-lea şi Dositei Filitti), 1834-1839 (iniţiate de mitropolitul Grigorie IV Dascălul şi terminate după moartea sa), 1932-1935 (iniţiate de patriarhul Miron Cristea), 1960-1962 (iniţiate de Patriarhul Justinian Marina, proiectant arh. Paul E. Miclescu), în anii 1989 şi 2000-2001, cu binecuvântarea vrednicului de pomenire Patriarh Teoctist, şi în 2008, sub îndrumarea Preafericitului Părinte Patriarh Daniel.

Catedrala şi-a recăpătat forma iniţială în urma restaurării realizate între 1960-1962 din iniţiativa patriarhului Justinian Marina. E a fost construită după modelul arhitectural al bisericii Mănăstirii Curtea de Argeş, zidită de domnitorul Neagoe Basarab. Ca şi aceasta, este compusă din altar şi naos, înscriind în plan o forma treflată, dintr-un pronaos supralărgit, sprijinit pe coloane din piatră, de secţiune octogonală, prevăzute, la partea superioară, cu remarcabile capiteluri sculptate în manieră compozită şi poleite, iar în elevaţie prezintă aceleaşi patru turle prismatice. La exterior, faţadele Catedralei sunt delimitate de jur împrejur în două registre printr-un brâu de piatră dispus cvasimedian. Monumentul bucureştean este, însă, de proporţii mai ample decât modelul său de la Curtea de Argeş. În pridvor, deasupra uşii de la intrare, se află icoana praznicară cu Sfinţii Împăraţi Constantin şi 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 (suprapusă, la rândul ei, peste un strat pictural mai vechi). Icoanele împărăteşti ale tâmplei au fost lucrate în email de Otilia Oteteleşanu între 1961-1964, în atelierele Patriarhiei.

Moaştele Sfântului Dimitrie cel Nou, aşezate 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 II (1760-1787). Sfântul Dimitrie cel Nou este patronul spiritual al oraşului Bucureşti, iar ziua sa de prăznuire, 27 octombrie, este, în fiecare an, prilej de mare pelerinaj al credincioşilor din întreaga ţară. În dreapta pronaosului se află mormintele patriarhilor Bisericii Ortodoxe Române: Miron Cristea (+1939), Nicodim Munteanu (+1948), Justin Moisescu (+1986) şi Teoctist Arăpaşu (+2007). Mormântul celui de-al treilea patriarh al Bisericii Ortodoxe Române, Justinian Marina (+1977), se află în biserica 'Sfânta Treime' a Mănăstirii Radu Vodă din Bucureşti, capela Seminarului Teologic Liceal Ortodox 'Mitropolitul Nifon' din Bucureşti.

La răsărit de altarul catedralei se află clopotniţa ridicată de voievodul Constantin Brâncoveanu în 1698 şi restaurată în 1956-1958, precum şi coloana cu inscripţii, de formă rotundă, realizată în memoria mitropoliţilor Teodosie (+1708) şi Ştefan al II-lea (+1738), ale căror morminte s-au aflat, iniţial, în acest loc.

În perioada mai-octombrie 2008, prin directa îndrumare a Preafericitului Părinte Patriarh Daniel, s-au înfăptuit noi şi ample lucrări de consolidare şi restaurare la Catedrala patriarhală. Între aceste lucrări se înscrie, în primul rând, consolidarea navei şi turlelor bisericii, prin montarea unor tiranţi din beton armat. De asemenea, s-a refăcut complet tencuiala exterioară, folosindu-se mortar special adus din Italia, s-a refăcut soclul şi trotuarul Catedralei, s-au montat ferestre noi şi s-a învelit din nou biserica şi turlele cu tablă de plumb. Tot în timpul lucrărilor din anul 2008 s-au montat, în registrul de sus al pridvorului, 26 de icoane în mozaic.

A fost restaurată pictura, catapeteasma şi mobilierul ornamental. Candelele, candelabrul mare de argint şi vitraliile au fost recondiţionate, iar instalaţiile au fost înlocuite complet, fiind refăcute şi echipamentele audio-video de transmisie pentru Radio TRINITAS şi TRINITAS TV. De asemenea, clopotniţa a primit 4 clopote noi, turnate la fabrica Grassmayr din Austria, fiind montat şi un sistem de acţionare electromecanic controlat prin computer. 

 La terminarea acestor lucrări, duminică, 26 octombrie 2008, la sărbătoarea Sf. Mucenic Dimitrie, Izvorâtorul de Mir, s-a săvârşit slujba de resfinţire a Catedralei patriarhale din Bucureşti, la 350 de ani de la ctitorirea acestui sfânt locaş. Slujba de resfinţire a fost săvârşită 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, Preasfinţitul Epifanie Gattas Hazim, Episcop-vicar patriarhal, delegatul Patriarhului Ignatie al IV-lea al Antiohiei, preoţi şi diaconi.