La idea de construir un temple a la part alta de la muntanya del Tibidabo va sorgir a la fi del segle xix davant els rumors sobre la construcció d’un temple protestant i un hotel-casino, davant el que una «Junta de Cavallers Catòlics» va adquirir la propietat del terreny, que va cedir en 1886 al sacerdot italià Juan Bosco (canonitzat en 1934). Bosco estava llavors de visita a Barcelona convidat per Dorotea de Chopitea, gran mecenes i promotora del projecte. Va sorgir llavors la idea de fer un temple dedicat al Sagrat Cor de Jesús, una advocació de moda en aquells dies gràcies a l’impuls del papa León XIII, seguint la línia del temple construït a Roma pel mateix Bosco (Sacre Cuore di Gesù), així com del famós Sacré-*Cœur de París i altres esglésies homònimes franceses, com les de Lió i Marsella.

En 1886 es va construir una ermita neogòtica, inaugurada el 3 de juliol, promoguda pels salesians, la congregació fundada per Bosco. Dos anys més tard, amb motiu de la visita de la reina María Cristina a la muntanya en el si dels actes de celebració de l’Exposició Universal, es va urbanitzar la carretera de Vallvidrera i es va construir al costat de l’ermita un pavelló d’inspiració mudèjar, que servia de mirador, posteriorment derrocat.

El projecte de construcció del temple va sofrir un important retard degut sobretot a l’aparició d’un nou projecte per a construir un observatori astronòmic en el cim del Tibidabo, que finalment es va fer en un pujol pròxim (Observatori Fabra).

Finalment, el 28 de desembre de 1902 es va col·locar la primera pedra en un acte presidit pel bisbe de Barcelona, Salvador Casañas i Pagès, qui en el seu discurs va demanar una almoina per al «nou Montmartre de Barcelona» —en al·lusió al famós pujol parisenc on se situa el Sacré-*Cœur—. Les obres es van prolongar fins a 1961 i van ser finalitzades per Josep Maria Sagnier, fill de l’artífex del projecte, Enric Sagnier.

Enric Sagnier va ser un autor prolífic, possiblement l’arquitecte amb major nombre de construccions a la Ciutat Comtal, prop de 300 edificis documentats. D’estil eclèctic, amb una certa tendència classicista, va estar pròxim al modernisme de moda en l’època en la capital catalana, però interpretant-ho d’una manera sòbria i funcional. La seva principal font d’inspiració va ser l’arquitectura medieval, sobretot romànica i gòtica.

En el XXII Congrés Eucarístic Internacional celebrat a Madrid en 1911 el Sagrat Cor del Tibidabo va ser nomenat Temple Nacional Expiatori d’Espanya.

El 29 d’octubre de 1961 el temple va rebre el títol de basílica menor, atorgat pel papa Joan XXIII.