À l'emplacement de la chapelle actuelle, une « Maison-Dieu » du diocèse de Chalon, placée sous le vocable de Notre-Dame, est érigée en 1244, selon la volonté testamentaire de Perron de Saint-Seine, chevalier, seigneur de Villers1.
Elle est reconstruite vers 1295, à l'initiative de Jehan d'Auxonne, recteur de l'église de Wimbledon, dépendante du diocèse de Winchester.
Détruit par les Grandes Compagnies au début du xve siècle, l'édifice est reconstruit et consacré par Hugues d'Orges, évêque de Chalon, en 1429, avant de subir un sort tout aussi funeste.
Jehan Vatel, prêtre, fait reconstruire la chapelle en 1520, c'est l'édifice actuel ; il en est le chapelain, selon une inscription gravée sur un contrefort Est1.
Associée à une fontaine miraculeuse, elle devient un lieu de pèlerinage fréquenté, notamment lors des épidémies de Peste2, et un asile pour les pèlerins, marchands et voyageurs en route pour l'Italie1.
Napoléon Bonaparte, affecté au régiment de la Fère à l'École Royale d'artillerie d'Auxonne, de 1788 à 1791, y vient à plusieurs reprises.
L'édifice, vendu comme bien national, à un particulier, est transformé en bâtiment de ferme, est racheté par la commune d'Auxonne, en 1867, par bonapartisme1.
Après plusieurs ajournements des travaux de restauration, la chapelle est classée au titre des monuments historiques, en janvier 1932, grâce à l'intervention du Général de Cointet, également à l'origine d'une souscription, à Paris, qui permet, augmentée par une subvention de l'État, la réalisation des travaux de restauration, achevés en 19361.
La chapelle est constituée de deux corps de bâtiment construits en brique ; les deux édifices n'ont pas la même hauteur mais ont la même largeur. La partie la plus basse présente une charpente apparente ; elle fait office d'hôtellerie et de vestibule, et donne sur la partie la plus haute, qui est la chapelle proprement dite et comporte une voûte d'ogives, avec une absidepolygonale, et des contreforts. L'encadrement des ouvertures, de style gothique, est en pierre de taille.
Elle est un des rares exemplaires de « Maison-Dieu » encore existante.