Oljemaleriet fra 1948 har tittelen «Olympia», og viser en naken kvinne som ligger med et skjell på magen.
Maleriets verdi er vurdert til opptil 3 millioner euro eller rundt 26 millioner norske kroner, ifølge nyhetsbyrået AFP.
Kuratoren ved museet, hvor Magritte selv bodde i nesten 24 år, beskriver tyvene som to menn med asiatisk utseende.
En av tyvene snakket engelsk, mens den andre snakket fransk.
Truet fem personer
Fem personer som oppholdt seg i museet under ranet, to av dem besøkende, skal ha blitt truet av tyvene.
En av tyvene var væpnet med pistol, men det ble ikke avfyrt skudd inne i museet.
Magritte er spesielt kjent for malerier av bowlerhatter, piper, grønne epler og blå himmel.
Det finnes to museer dedikert til Magrittes kunst i Brussel.