Le bâtiment actuel, avec sa grande coupole centrale et ses absides latérales arrondies, fut reconstruit entre 1927 et 1933. Cette reconstruction fit suite à l'attentat à la bombe de 1925 contre l'église, commis pendant des funérailles nationales, qui fit bien plus d'une centaine de morts ; une plaque près de l'entrée rappelle l'événement.
À l'intérieur, l'église est richement décorée de peintures murales et d'une iconostase dorée. Elle conserve aussi les reliques du roi serbe médiéval Stefan Milutin, vénéré comme saint, raison pour laquelle on l'appelle parfois l'église du Saint-Roi.
La place Sainte-Nédélia se trouve sur le grand axe nord-sud du centre de Sofia, à quelques pas de la statue de Sveta Sofia, de la station de métro Serdika et du début du boulevard Vitosha.
