De parochie ontstond naast het oude hof Diedegem, waarschijnlijk kort nadat Kornelimünster het domein kreeg. De abdij stelde zelf de priesters aan; in de 14de en 15de eeuw waren dat mannen als Lambert van Aken, Herweyn Utenhove en Daneel Daneels, die ook de tienden van de abdij beheerden. Pas op 19 december 1605 werd die bijzondere toestand opgeheven en benoemde de aartsbisschop van Mechelen de pastoor. Een eerste kerk wordt vermeld in 1379, toen een bode van Leuven er asiel vond tegen de woede van de patriciërs van zijn stad.
Een nieuwe kerk
De oudste delen van de huidige kerk, de vier pijlers van de toren, dateren van rond 1400. Brussel was toen een welvarende stad en de bouwwoede sloeg over naar de omgeving. Diegem kon volgen: in 1435 telde het 109 huizen, meer dan Machelen (89), Zaventem (88) of Haren (30). Het koor en de noordelijke dwarsbeuk volgden in de 15de eeuw, het schip in de eerste helft van de 16de; de oorlogen onder Maximiliaan van Oostenrijk vertraagden het werk. Het is Brabantse gotiek, zonder luchtbogen of kooromgang, maar met een opvallende eenheid, al werd er een eeuw en meer aan gebouwd.
Feest in 1543
De kerkrekeningen van 1543 tonen dat de kerk toen af was. Vanaf 1541 werd het zuiderportaal tot pelgrimshuis verbouwd, met zandsteen van de Kleet. Er kwam een volledig nieuw meubilair uit Brussel en Mechelen: zeven altaren met smeedwerk van Jan de Greve, beschilderd door Jan Lambrechts, een doopvont en nieuwe lessenaars. Voor de inwijding trok een ommegang van Sint-Cornelius door het dorp, met de trompetters en stadsspeellieden van Brussel, Brabantse gilden en een Sint-Antoniuswagen. De Sint-Antoniusgilde van Merchtem won de eerste prijs. De kerk betaalde 100 eieren voor de paasnacht, 270 voor Pasen en een half kalf.
De inventaris van 1639
In 1639 maakte pastoor Joannes vander Eycken een inventaris op. De kerk had drie klokken van ongeveer 3.000, 1.800 en 700 pond, een uurwerk, twee orgels en zeven altaren: het hoogaltaar van Catharina, in de dwarsbeuken Onze-Lieve-Vrouw en Cornelius, en in het schip Sint-Anna, Sint-Hubertus, de Vier Gekroonden en de Zoete Naam Jezus. Rechts in het koor stond een sacramentstoren in witte steen met fijne figuren, tot bijna tegen het gewelf. Hij verdween later; twee brokstukken lagen nog in de pastorietuin, en het beeldje van Sint-Benedictus in de nis van het Corneliusaltaar komt er wellicht van.
Muurschilderingen
In 1895, bij het afkappen van de witkalk binnen de kerk, kwamen op de pijlers apostelfiguren uit de 16de eeuw tevoorschijn; Paulus, Thomas, Thaddeus, Petrus en Johannes waren nog herkenbaar. De minister vroeg ze zorgvuldig te bewaren, maar de kerkfabriek vond een volledige restauratie te duur, en een proefrestauratie viel tegen. Pastoor Juul Lapage (1955-1958) ontdekte onder verschillende kalklagen in de oude sacristie nog een goed bewaarde kruisiging. Boven de kapitelen zie je gleuven waarin vroeger ijzeren staven zaten om bij feesten wandtapijten op te hangen.
Portalen en pelgrimshuis
Drie portalen gaven toegang tot de kerk. De lijkpoort in de westgevel en de poort in de noordgevel lijken sterk op het hoofdportaal van Anderlecht. Het boogveld van het noorderportaal toont Cornelius, met naast hem kleiner Catharina en Rochus. Het zuiderportaal was een pelgrimshuis met een kamer op de verdieping, waar pelgrims konden overnachten. Er was geen trap: je klom met een ladder naar een deur zowat 5 meter hoog in de kerkmuur, die van buitenaf werd vergrendeld. In 1674 werd de poort dichtgemetseld en in 1775 maakte pastoor Forneville er een doopkapel van; tegelijk kwamen er een nieuwe sacristie en het ‘kippenhok’.
In oorlogstijd verhuurde de kerk haar zolders, het pelgrimshuis en het houtkot als bergplaats voor graan en huisraad. De voorwaarden van 1746 zijn bewaard: huur voor één jaar, hoogstens 15 zakken graan boven het schip of het koor, en slechts twee keer per week toegang. Ook de Heilige-Geesttafel sloeg er het graan voor de armen op.
Herstellingen
De kerk werd in 1887 (toren), 1888 en 1895 hersteld en op 25 maart 1938 in haar geheel beschermd. De bombardementen op de nabije luchthaven tijdens de Tweede Wereldoorlog beschadigden daken, glasramen en gewelven zwaar. Na jaren van brieven kwam pas op 3 maart 1954 de toelating voor de herstelling, met 1,2 miljoen frank staatssteun. Pastoor Juul Lapage zag de volledige restauratie voltooid. In 1972 werd het kerkplein geplaveid.