La chapelle de la Citadelle fut ouverte sous le vocable de Notre Dame de l'Immaculée Conception.
La tradition rapporte que très anciennement, il y eut à cette place un ermite, puis une église avec des chanoines réguliers. Vers 570, elle aurait été transformée en Abbaye de Saint Benoît par Saint Flavien, évêque de Chalon, successeur de Saint Agricol et prédécesseur de Saint Loup. Ce fut l'Abbaye de Saint-Pierre par où les évêques nommés à Chalon faisaient leur entrée en ville. Les moines émigrèrent près de la Saône en 1570 et leur Abbaye fut remplacée par la Citadelle. L'église Saint-Pierre actuelle qui était leur nouvelle chapelle fut terminée en 1713.
Quand la chapelle actuelle de la Citadelle fut-elle construite ? On n'en sait trop rien. Après l'évacuation de la citadelle par les troupes, une auberge avec entreprise de transport appelée "La Roulangerie" avait une grande écurie dans une ancienne chapelle de 35 m de long sur 8 m de large adossée au grand bâtiment de l'hôtellerie et suivie d'une vieille tour. Au commencement du XIXe siècle, le tout appartenait à un avocat de Chagny nommé Leclerc. L'abbé Ronjon lui acheta ces bâtiments par acte passé le 19 janvier 1856, par Maître Noirot, notaire, et réinstalla dans la vieille chapelle servant d'écurie, la chapelle que nous connaissons maintenant. Il fit une quête pour payer les réparations.
En 1870, les Dames de Chalon firent voeu d'élever à cet emplacement dominant la ville, une statue de la Sainte Vierge si la ville était préservée de l'invasion allemande. En fait, les "prussiens" comme on disait alors, s'arrêtèrent à Chagny. Quelques détachements s'avancèrent jusqu'à Mâcon, mais n'entrèrent pas à Chalon qu'ils contournèrent.
Il fut fait une convention entre l'Evêché et l'abbé Ronjon, le 10 juin 1872, décidant que la "statue en l'honneur de la Sainte Vierge sera élevée sur une tour dépendant d'une chapelle située à la citadelle de Chalon et dont la propriété appartient à Monsieur l'Abbé Ronjon".
En 1873, la circulaire suivante fut envoyée par centaine aux habitants de Chalon : "Le Comité pour l'Oeuvre de l'érection de la statue de la Vierge à Chalon-sur-Saône a l'honneur de vous informer que Sa Grandeur Monseigneur l'Evêque d'Autun, a fixé au jeudi 2 octobre la cérémonie de la bénédiction solennelle. La réunion aura lieu à deux heures de l'après-midi à la Cathédrale Saint Vincent, pour de là, se rendre aux pieds de la Vierge. Au retour de la procession, salut solennel. Vous êtes prié, M... de vouloir bien y assister."
Par testament du 11 janvier 1877, puis par acte de vente du 24 août 1878, l'abbé Ronjon céda la chapelle à Mélanie Calvat Mathieu (la voyante de la Salette) pour qu'elle soit desservie après lui par les "Apôtres des derniers temps".
L'abbé Ronjon mourut le 5 avril 1891. Le Cardinal Perraud avait toujours été opposé à cette cession d'autant plus que l'Ordre dit "de la Mère de Dieu" ou "des Apôtres des derniers temps" qui fait penser à la secte des Mormons, n'était pas reconnu, sans existence légale et d'ailleurs sans existence religieuse réelle. Le Cardinal Perraud interdit la chapelle le 2 juin 1893. Un procès eut lieu entre Mélanie et les deux prêtres héritiers à titre universel et exécuteurs testamentaires de l'abbé Ronjon. Le jugement du tribunal de Chalon, du 4 juillet 1893, annula la cession, estimant que c'était une donation déguisée par une vente, que cette donation n'était pas en réalité en faveur de Mélanie, mais de l'"ordre de la Mère de Dieu" ou "des Apôtres des derniers temps" qui n'existait pas réellement.
Ce legs à Mélanie, annulé, la chapelle resta aux deux prêtres héritiers et elle fut rendue au culte comme annexe à la Paroisse Saint-Pierre.
En 1914, le voeu ne semble pas avoir été renouvelé. En aucun moment, la ville ne fut spécialement menacée par la guerre et, en général, les hommes ne pensent à implorer la protection divine que quand ils sont à deux doigts des calamités.
Il fallut attendre 1940 pour que le voeu soit renouvelé. La plaque apposée au-dessus de la porte pour remercier de la protection obtenue n'est due qu'à un seul particulier.
La statue vénérée à l'intérieur de la chapelle avait été mise à l'abri par Madame Cortot qui habitait dans l'une des maisons situées en face de la chapelle, maisons rasées pour la construction d'un grand immeuble que l'on voit actuellement.
Le père Xavier de Boissieu qui fut chapelain de la Citadelle (1954 à 1989) avait reçu mission de veiller sur cette statue, en cas d'hospitalisation de madame Cortot, ce qui arriva en 1974. Après le décès de ladite personne, il plaça la statue où elle devait être, c'est-à-dire dans la chapelle de la Citadelle où elle continue d'être honorée.
Après la modification de l'entrée : couloir d'entrée et de chaque coté – à droite : sacristie, - à gauche : salle toilettes et chaudière de chauffage, vers 1985) – un plancher a été installé sur les dalles ainsi qu'un plafond avec projecteurs d'éclairage.