Les architectes du début du XIXe siècle sont confrontés au défi de concevoir des bâtiments destinés à de nouveaux usages : gares de chemin de fer, écoles, palais de justice… Pour préparer le projet de l’observatoire, Adolphe Quetelet voyage et se documente sur différents établissements de ce type en Europe. Il communique ses demandes à l’architecte de la Ville de Bruxelles, Nicolas Roget, qui dessine les plans. Ce dernier conçoit deux corps de bâtiment principaux reliés par une galerie qui abrite les deux lunettes méridiennes.

L’aile située du côté du boulevard est destinée à la résidence de la famille Quetelet, tandis que celle qui s’ouvre vers la rue de l’Astronomie abrite les salles de travail. Les toitures des deux volumes sont percées d’une tourelle cylindrique à toit ouvrant. Les échanges de courriers entre Quetelet et l’architecte de la Ville témoignent des difficultés rencontrées dans la réalisation de ce projet inédit.