Nhà thờ được xây dựng từ rất nhiều thế kỷ trước. Tuy nhiên, lịch sử ban đầu của nhà thờ rất mơ hồ. Chỉ có thể suy đoán dựa trên cấu trúc gỗ đá thì nhà thờ đã được xây dựng trong khoảng thế kỷ thứ 10. Không giống như các nhà thờ khác ở Sofia, cấu trúc bằng gỗ của nhà thờ Thánh Nedelya đã được bảo tồn cho đến giữa thế kỷ 19.
Nhà thờ đã được xây dựng lại nhiều lần, tòa nhà chúng ta đang thấy bây giờ là tòa nhà biểu tượng của Sofia, được thiết kế và xây dựng vào thế kỷ 19 bởi kiến trúc sư nổi tiếng người Bungari Vasilyov-Tsolov.
