Eglise est restée en dehors des principaux travaux sur l’architecture romane en Sud Bourgogne. Cependant, Alain Guerreau (directeur de recherches au CNRS) et Bernard Laymet, propriétaire de la chapelle, ont réalisé de premières études intéressantes. Au niveau de son plan, l’église Saint-Martin est assez typique des édifices romans présents dans la région. Orientée à l’est, elle se compose d’une nef rectangulaire unique, d’une travée sous un clocher carré, et d’une abside. Le plan de la nef semble également dévié par rapport au chevet, ce qui est assez fréquent dans les églises romanes de la région. L’histoire mouvementée de la chapelle est également mise en évidence par les nombreuses ruptures dans la maçonnerie, qui témoignent des différentes reprises au fil des siècles.

Longueur totale : 15.93m

Epaisseur des murs : 0.90m

De l’extérieur, la chapelle de Nancelle semble être un assemblage de reprises architecturales hétéroclites, qui forment cependant un ensemble harmonieux et plein de caractère. La façade, dont le mur est assez fin, est visiblement une reconstruction moderne à partir de matériaux d’origine. Elle est percée d’une porte toute simple, dont le linteau de pierre est non-saillant. Cette porte est surmontée d’un arc de décharge supportant un oculus. La nef de plan rectangulaire est épaulée de chaque côté par deux contreforts assez épais (celui du milieu au gouttereau nord est détruit à mi-hauteur). Ils ont vraisemblablement été ajoutés lors d’une restauration moderne, afin de contrebalancer la tendance qu’ont les murs de pencher vers l’extérieur (et ce bien que le terrain soit plat). Les gouttereaux ont en partie été reconstruits, notamment la moitié ouest. Une petite baie plein cintre ébrasée devait s’y trouver à l’origine, au nord et au sud, identique à celles qui subsistent à l’est. Les murs de la nef sont surmontés d’une corniche à modillons nus.