L'uomo dietro l'attuale chiesa è Joseph Poelaert, l'architetto dell'enorme Palazzo di Giustizia di Bruxelles. Quando progettò Santa Caterina, lavorava ancora per la città. L'edificio fu costruito tra il 1854 e il 1874, con il discepolo di Poelaert, Wynand Janssens, che portò avanti i lavori. Il progetto è un classico esempio di quello che viene chiamato compromesso belga. I gruppi cattolici volevano proporzioni gotiche, una chiesa che si slanciasse come quelle del Medioevo. Il governo liberale della città, invece, preferiva qualcosa di più austero. Così la chiesa ha le proporzioni gotiche richieste, ma la sua architettura generale fu mantenuta molto più sobria per compiacere le autorità. Ciascuna delle due parti ottenne una parte di ciò che voleva. Il risultato è anche storicamente insolito. È l'unica nuova chiesa parrocchiale costruita all'interno della Pentagono, il centro storico di Bruxelles, dalla fine dell'Antico Regime. In questo senso fu un po' l'ultima arrivata tra le chiese della vecchia città.