Helsingin suuri seurakunta päätettiin jakaa kuudeksi seurakunnaksi vappuna 1907. Pitkänsillan pohjoispuolella asuvat 30 000 helsinkiläistä saivat uuden kirkon. Kirkko vihittiin käyttöön vuonna 1912. Kallion maamerkin suunnitteli tunnetuimpiin kirkkoarkkitehteihimme lukeutuva Lars Sonck.

Harmaagraniittinen kirkko päättää Helsingin pisimmän, Unioninkadun ja Siltasaaren kadun muodostaman suoran katuakselin. Malliltaan Kallion kirkko on pitkäkirkko, johon liittyy kaksi matalampaa sivurakennusta. Parvia kannattavat pylväät jakavat kirkkosalin keskiosan kolmeen laivaan. Kirkon korkea torni on sijoitettu korostamaan kuoriosaa, josta erkanee puolipyöreä, pilasteroitu ja puolikuvun kattama laajennus.

Arkkitehti Lars Sonckin kerrotaan ottaneen kirkon hahmon Vanhassa testamentissa kuvatun Salomon temppelin mittasuhteista. Sisämitoiltaan se muistuttaa puolestaan Jerusalemin temppeliä. Kirkon alttari on pituusakselilla juuri samassa kohdassa kuin Jerusalemin temppelin esirippu pyhän ja kaikkein pyhimmän välissä.

Kirkko on yksi kansallisromanttisen rakennustyylin puhtaimmista edustajista Suomessa. Kirkko on koristeltu jugendtyylisin seinämaalauksin. Pääaiheina ovat kristilliset kasvisymbolit. Ikkuna- ja ovisyvennyksissä on ruusuja, jotka yhtyvät kaarissa risti- ja seppelaiheisiin. Lehtereille vieviin portaikkoihin on maalattu suoranainen ruusutarha. Holvikaaria kiertävät liljat. Alttariholvin palmunlehvät symboloivat Kristuksen tulemista rauhanruhtinaana. Sivuaitioiden viinipuun oksat kuvastavat seurakunnan yhteyttä häneen. Kuva-aiheina toistuvat myös voiton symboli laakeriseppele, valvomisesta muistuttava kukko ja Pyhän Hengen vertauskuva kyyhkynen.

Kirkon ulkomuoto on säilynyt alkuperäisenä, mutta sisätila kokenut melkoisia muutoksia korjausten myötä. Urut olivat alkuun parvella alttarin yläpuolella ja saarnatuoli alttarin takana. Saarnatuoli siirrettiin nykyiselle paikalleen vuonna 1924. Kattokruunut saatiin kirkkoon vasta 1932, ja urut siirrettiin takalehterille 1957.

Kirkon ensimmäinen peruskorjaus tehtiin 1955–1956 kuvataiteilija ja sisustusarkkitehti Antti Salmenlinnan ehdotusten mukaisesti. Hän luonnosteli myös kastepöydän ja -maljan. Puolipyöreä alttari muutettiin suorakaiteen muotoiseksi.

Kuvanveistäjä Hannes Autereen veistämät Ristiinnaulittu ja puureliefi Tulkaa minun tyköni, kaikki työtätekevät ja raskautetut, niin minä annan teille levon ovat vuodelta 1956. Reliefiin on kuvattu kirkon silloisen ylivahtimestarin vanhemmat, muurari ja pyykkäri, sekä naapuritalon talonmies ja kalliolaisia lapsiperheitä. Kirkon kuorin triumfiristi asetettiin paikalleen yhtä aikaa alttaritaulun kanssa. Yli tuhat kullattua helmeä muodostaa helmiportin alttarin ääreen.

Lina Palmgrenin ehtoollisliinassa vuodelta 1912 on verellään poikasiaan ruokkiva pelikaani, Kristuksen kärsivän rakkauden ja ehtoollisen vertauskuva. Kirkossa on Ilmari Wirkkalan suunnittelema stola. Hopeatyön taitaja Eric O. W. Ehrström valmisti kirkon ehtoollisvälineet yhdistellen jugendin ja klassismin vaikutteita.

Peruskorjauksessa 1986–1987 palautettiin kirkon alkuperäinen väritys. Kirkon sivutilat remontoitiin kokouskäyttöön ja kirkkoherranvirasto siirrettiin seurakuntataloon. Alttaripöytä tehtiin kaupunginosan ja kirkon luonteen mukaisesti kivestä.

Akustisesti erinomaisena tilana Kallion kirkko on yksi maamme merkittävimmistä konserttikirkoista. Kirkon ensimmäiset urut olivat alttarin yläpuolisella lehterillä. Nykyisen takalehterillä olevan ranskalaisromanttisen soittimen rakensi ruotsalainen urkurakentamo Åkerman & Lund vuonna 1995. Barokkityyliset kuoriurut vuodelta 1987 ovat Kangasalan urkurakentamon. Ne suunnitteli urkuri Pentti Pelto.

Kallion kirkon alle valmistui uurnaholvi vuonna 1990. Se jatkaa vanhaa kristillistä kirkon alle hautaamisen perinnettä, jonka katkaisi nykyisen hautausmaakäytännön syntyminen 1700-luvulla. 3000 uurnapaikan lisäksi holvissa on myös kalliohauta, johon tuhka voidaan uurnasäilytyksen jälkeen tai sen sijasta kätkeä. Holvissa vallitsee hautarauha. Omaiset voivat vierailla siellä vain uurnaa saattaessaan. Alttaritauluna uurnaholvissa on kuvataiteilija Jaakko Somersalon lasityö Ylösnousemus vuodelta 1958.

Kirkkoon haudattuja vainajia voi kuitenkin muistella alttarilla lehterin alla. Jokaisen haudatun nimilaatta sijoitetaan kirkon seinään, ja sen alle voi tuoda kukkia tai sytyttää kynttilän.

Graniittitornin seitsemän saksalaista kelloa soittavat Jean Sibeliuksen sävelmää keskipäivällä ja iltakuudelta. Yleisradio käytti koraalisävelmää vuosikymmeniä lauantain ehtookelloina.

Toisen maailmansodan aikana Kallion kirkon tornissa oli yksi Helsingin ilmavalvontapisteistä. Kaupungin maanmittauksen peruspisteenä samainen torni toimi 1970-luvulle saakka.