Pour des besoins cultuels évidents, il fallut agrandir la chapelle. L'architecte Paul-Eugène Lequeux (1806-1873) fut chargé des travaux. Respectant la forme en croix latine, il fit ajouter les deux bas-côtés, le transept et le chœur. Le tout s'acheva en 1851. En 1860, la commune de Batignolles-Monceau est rattachée à Paris.
L'édifice s'inspire de la basilique romaine antique. Son porche ressemble à celui d'un temple grec. L'intérieur porte la marque des églises construites sous la Restauration : Sainte-Marie-des-Batignolles est une église sobre, presque sévère. Heureusement, un plafond plat à compartiments peints et un superbe chœur, à la mode du XIXe siècle, avec un magnifique retable sculpté, viennent casser cette sobriété et embellir l'édifice.