De Wereldtentoonstelling te Brussel van 1958 gaf een nieuwe impuls aan de groei van de luchthaven. Om de massa bezoekers in alle comfort te ontvangen, was er behoefte aan een nieuw luchthavengebouw. In 1956 werd met de bouw gestart van een nieuw 2-pierig luchthavengebouw, waarbij men uitging van een maximale capaciteit van 6 miljoen passagiers per jaar. Het ontwerp was, volgens een typisch Belgisch compromis, gemaakt door drie architecten: een Brusselaar (Maxime Brunfaut), een Vlaming (Georges Bontinck) en een Waal (Joseph Moutschen). De bestaande infrastructuur in Melsbroek kwam ter beschikking van de Belgische luchtmacht. Omdat het nieuwe luchthavengebouw op de voormalige grasbaan was gepland, werd baan 12/30 bij de bouw van het nieuwe luchthavengebouw naar het noordoosten verplaatst en verhard. Later werd deze echter buiten gebruik genomen. Tegenwoordig functioneert het oostelijke deel enkel nog als taxibaan. Door de uitbreiding van de luchthaven verdween een groot deel van het gehucht Diegem-Lo.