Храм святителя Николая Чудотворца в Брюсселе был учрежден в 1862 году как домовая церковь русского посланника при Бельгийском дворе князя Николая Александровича Орлова. Первоначально храм располагался в наемном помещении и содержался на личные средства князя. В 1875 году по Высочайшему повелению императора Александра II церковь была принята в ведение Министерства иностранных дел Российской империи с присвоением наименования «Церковь Императорской Российской Миссии в Брюсселе».
1 августа 1876 года храм был перенесен в дом №29 на улице Рю де Шевалье в коммуне Иксель, где находится по настоящее время. Здание было приобретено в 1887 году настоятелем протоиереем Афанасием Петровым за 40 000 бельгийских франков на средства, собранные прихожанами. В 1896 году на пожертвования бывшего турецкого посланника Стефана Каратеодори был пристроен алтарь с куполом, сооружен одноярусный позолоченный иконостас и устроена солея.
В 1906 году, согласно церковной ведомости, храм вмещал 40-50 человек, имел деревянный позолоченный иконостас с четырьмя иконами. Стены были расписаны в византийском стиле. С 1875 года штат храма состоял из одного священника и двух псаломщиков, хотя с 1877 года жалование второго псаломщика шло на содержание хора и ремонт здания.
В 1929 году храм стал кафедральным собором Брюссельско-Бельгийской епархии. В 1996 году проведена реставрация иконостаса с его повторной позолотой, обновлены росписи в алтаре по образцу фресок русской келии святого архидиакона Стефана на Афоне. Главными святынями храма являются ковчежец с частицей мощей святителя Николая Чудотворца и икона святого, а с 2007 года — ковчег с частицей мощей преподобного Серафима Саровского.
Богослужения совершаются по юлианскому календарю на церковнославянском языке. При храме действует библиотека, основанная в начале XX века и насчитывающая несколько тысяч книг на церковнославянском, русском и европейских языках. Архив храма содержит документы, относящиеся к истории русского православия в Бельгии, включая ведомости XIX-XX веков.