Les plus anciennes traces écrites qui mentionnent la Chapelle Sainte-Catherine datent de 1200. La chapelle était alors adossée au rempart de la ville, dont quelques vestiges éparpillés subsistent dans la ville. Les débuts de la construction de cette église datent de 1854, après que les bassins de Sainte-Catherine aient été comblés car trop souvent ils inondaient le quartier. L'architecture de l'église est marquée par une volonté de créer un style original qui s'applique à mélanger les styles roman, gothique et renaissant
L'actuelle église Sainte-Catherine de Bruxelles a été construite à l’emplacement d'un bassin de l'ancien port de Bruxelles entre 1854 et 1874. Ouverte sur la place Sainte-Catherine, elle remplaçait un ancien édifice remontant au XVe siècle.
La première mention de l’existence d’une chapelle Sainte-Catherine remonte à 1201. A l’époque, la chapelle dépendait de l’église Saint-Jean-Baptiste de Molenbeek. Remplacée au XIV-XVe siècle par une église gothique, elle devient église principale au XVIe siècle. A ce moment, c’est Saint-Jean-Baptiste qui dépend d’elle. En 1629, l’édifice est entièrement transformé et la construction de la tour est entreprise. Les travaux ne se sont achevés que bien plus tard, après 1664. Au XIXe siècle, l’église étant devenue vétuste, il est décidé de la démolir et de construire un nouvel édifice, mais en conservant la tour baroque du premier édifice. La première pierre de la nouvelle église est posée le 25 septembre 1854. Les plans sont l’œuvre de l’architecte Joseph Poelaert, auteur (entre autres) du Palais de Justice. Les travaux sont achevés vers 1873 sous la conduite de Wynand Janssens. L’église Sainte-Catherine, lit-on souvent, est l’adaptation en style Renaissance de l’édifice gothique. Elle s’inspire de l’église Saint-Eustache à Paris et reprend les constantes des façades des églises françaises du XVIe siècle. Elle montre pourtant bien les conceptions très personnelles de Poelaert, particulièrement à l’arrière de l’édifice et sur les façades latérales, avec les galeries de colonnes trapues créant des zones d’ombre au niveau supérieur. Il se dégage de l’ensemble de l’église une impression de massivité, voire de lourdeur, due à son côté trapu et à son manque d’ampleur.
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