Sim, você pode fazer isso. Não há bagagem despachada, então não há nada de errado em comprar uma passagem de trem para Paris, mas de Bruxelas.
Dito isto, você pode querer verificar outras opções. Há o trem mais barato para Bruxelas. Você pode comprar bilhetes para o trem para Bruxelas em qualquer estação ferroviária holandesa. Este trem é sem reserva.
Há também o idbus com serviço regular para Bruxelas a partir de Amsterdã.
Se você estiver voando para Amsterdã com a KLM, também há a opção de continuar sua jornada. Tal como acontece com algumas outras estações de trem Bruxelas tem um código de aeroporto (ZYR) e em algumas companhias aéreas é possível comprar um passagem aérea para ZYR. Entretanto, você continuaria sua jornada do aeroporto de Amsterdã para Bruxelas no Thalys. A beleza desse truque é que, quando seu vôo de entrada está atrasado, ele simplesmente o coloca no próximo trem.