Mohutná trojlodní novorománská bazilika, stavěná z tesaného kamene podle vzorů starých románských kostelů, náleží svou rozsáhlostí mezi nejpřednější církevní stavby v Čechách. Plány zhotovil profesor stavitelství ve Vídni, architekt Karl Rösner (1804–1869), mnohé podrobnosti v nich ale změnil pražský architekt Vojtěch Ignác Ullmann (1822–1897), pod jehož vedením stavbu prováděli stavitel Jan Bělský a kamenický mistr Karel Svoboda. Samotná stavba chrámu probíhala v letech 1854–1863.
Délka celého kostela je 75 m a šířka 31 m, výška hlavní lodi je 27,5m, délka 71m a šířka 13,4m. Obě vysoké věže dosahují výše přes 78m a na jihu jsou situovány tři polokruhové apsidy. Ve své době byl kostel největší stavbou v Praze a jejích předměstích. V roce 1849, kdy počet zdejších obyvatel činil již 12 tisíc, neměl Karlín svoji duchovní správu, protože do roku 1851 spadal pod olšanskou farnost. Karlínští stále toužili po vlastním, důstojném chrámu a o to, že se ho v nejbližších letech dočkali, se nejvíce zasloužila Jednota katolická v Praze, zvláště hrabě Otakar Černín a svatovítský kanovník Jan Valerián Jirsík.
Po úředním schválení stavby začaly sbírky po celé zemi. Přispěli do nich mimo jiné císař Ferdinand Dobrotivý a jeho choť Marie Anna, ovdovělá císařovna Karolina Augusta (manželka Františka I.), podle níž je pojmenován Karlín – Karolinenthal. Po sehnání peněz zakoupila karlínská obec v ceně 25 tisíc zlatých staveniště a okolní pozemky, které byly 9. března 1854 (tehdejší den sv. Cyrila a Metoděje) arcibiskupem Bedřichem ze Schwarzenbergu vysvěceny.
Základní kámen ke stavbě byl položen dne 10. června 1854 za účasti císaře Františka Josefa I. a jeho choti císařovny Alžběty. Za devět let byl chrám dostavěn a 18. října 1863, při příležitosti milénia příchodu slovanských věrozvěstů na Moravu, slavnostně vysvěcen. Chrám posvětil kardinál a arcibiskup pražský Bedřich ze Schwarzenbergu za přítomnosti budějovického biskupa Jana V. Jirsíka, jenž vysvětil boční oltář svatého Václava a pražského světícího biskupa Petra F. Krejčího, jemuž připadl druhý boční oltář Panny Marie.
Severní průčelí vyniká bohatou ornamentikou. Pod růžicovým kůrním oknem je v arkatuře umístěno jedenáct soch, Kristus a deset českých patronů od Čeňka Vodníka z roku 1913. Nad hlavními vraty uprostřed je postava Ježíše Krista a jemu po obou stranách klečí slovanští apoštolové Cyril a Metoděj. Hlavní prostředí bronzová vrata jsou dvoukřídlá, pokrytá měděnými deskami. Ze železa ulitý páskový a listový ornament slouží jako vroubení a ke spojení figurálních reliéfů. Nejvýše v tzv. mandorle, jsou umístěny celé postavy sv. Cyrila a Metoděje.
Malířská a sochařská výzdoba chrámu byla prováděna až do konce 19. století a podíleli se na ní přední výtvarní umělci, spojující několik generací. Mnoho zadaných prací však nebylo provedeno vůbec a též nebyla dodržena programová náplň výzdoby chrámu, schválená kardinálem B. Schwarzenbergem. Přesto je kostel sv. Cyrila a Metoděje znamenitý výtvor moderní sakrální stavby, znamenající u nás počátek nové éry výtvarného umění a je významným dokladem raného historismu v české architektuře.