La construction de la nouvelle église Sainte-Catherine, confiée aux talents de Joseph Poelaert et poursuivie ensuite par son élève et disciple, Wynand Janssens, avance au rythme lancinant des crédits alloués pour son édification. Vingt ans après la pose de la première pierre, elle est enfin consacrée au culte en 1874. C’est le seul édifice religieux construit dans le pentagone (centre historique de Bruxelles) depuis la fin de l’Ancien Régime.
Inspirée d’églises françaises du XVIe siècle – comme l’église Saint-Eustache près des Halles de Paris – l’église Sainte-Catherine présente une architecture hybride, entre des formes gothiques et une décoration baroque. Le soubassement massif en pierre bleue, bien à la manière de l’architecte du Palais de justice de Bruxelles, est richement profilé et scandé de puissants contreforts, couronnés de gargouilles. Il contraste avec la sobriété de l’élévation de la nef en pierre de Gobertange, soutenue par de fins arcs-boutants. Tout en équilibre, la façade principale, comme les pignons qui ferment le transept peu saillant, présentent une sorte de retable central renaissant, encadré de contreforts et surmonté d’un fronton triangulaire et d’une lanterne carrée. Dans le souci d’alléger une structure aussi massive, l’architecte a creusé systématiquement des niches dans les multiples contreforts qu’il a ensuite surmontés de lanternons. Horizontalement, ce sont des balustrades et des tribunes à colonnes qui répondent au même souci. La grille en fer forgé, qui cerne aujourd’hui[Depuis quand ?] l’édifice, provient des garde-corps du Grand Hôtel construit en 1875 par E. L’Homme à front du boulevard Anspach et démoli depuis.
L’ampleur et la sobriété de l’intérieur de l’édifice sont renforcées par l’enduit blanc qui le recouvre. Il présente un mobilier homogène, conçu en style néo-renaissance par les frères Goyers de Louvain, auquel ont été ajoutées les principales œuvres de l’ancienne église, comme le lavabo, les armoires de la sacristie. La chaire de vérité proviendrait, elle, de la cathédrale Saint-Rombaut de Malines.
Dans le côté sud du narthex, aménagé en chapelle latérale, un monument commémoratif a été érigé en souvenir du peintre Ferdinand-Marie Delvaux, mort empoisonné en 1815 près de Bologne, qui est dû au ciseau de Gilles-Lambert Godecharle et provenant de l'ancienne église Sainte-Catherine de Bruxelles.
Menacée de démolition dans les années 1950 au profit d’un parking à ciel ouvert, l’église Sainte-Catherine est toujours en attente d’une rénovation. En passe d'être désacralisée, elle est menacée de devoir fermer ses portes fin 2011, un projet de transformation du bâtiment en marché couvert étant à l'étude1. Le 20 septembre 2014, à la suite d'une décision de l'archevêque de Malines-Bruxelles, l'église Sainte-Catherine à Bruxelles est rouverte au culte et mise sous la responsabilité de 4 jeunes prêtres de la Fraternité des Saints Apôtres2.