Bientôt il est décidé de construire une église grandiose, en remplacement d'une première chapelle provisoire. La fabrique d'église acquiert à cet effet un terrain sur le parcours royal aménagé par Léopold I pour relier le château de Laeken au palais de Bruxelles (rue Royale, rue des Palais, avenue de la Reine).
Un concours est lancé, et c'est le projet du jeune architecte gantois Henri-Louis Van Overstraeten qui est retenu, le 16 septembre 1844.
La configuration du terrain ne permet pas la construction d'une église classique en forme de croix. L'architecte opte pour une solution audacieuse et originale : un octogone surmonté d'une coupole, conjuguant les styles roman, gothique et byzantin.
Terrassé à l'âge de 31 ans par le choléra, l'architecte ne connaîtra jamais l'achèvement de son oeuvre. Celle-ci sera poursuivie par Gustave Hansotte.
L'église, bien qu'inachevée, sera inaugurée le 15 août 1853 et dédiée à Notre Dame de l'Assomption. Il faudra attendre 1880 pour que le dôme soit placé
