Eglise La chapelle est longtemps 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 l’ancienne église Saint-Martin est assez typique des édifices romans présents dans la région. Orientée à l’est, elle se compose d’une nef unique 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

'''Nef : ''' 10.66m x 4.80m

'''Chœur : ''' 2.18m x 3.30m

'''Abside : ''' 2.19m x 3.00m

'''Rayon du cul de four : ''' 1.50m

Epaisseur '''Épaisseur 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 et d'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 à 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.

La travée sous clocher, plus étroite que la nef, est épaulée par deux gros contreforts de chaque côté, modernes. Elle est ouverte au nord d’une petite fenêtre étroite à ébrasement intérieur, en-dessous de laquelle on distingue les contours d’une ancienne ouverture. Au sud, la travée est percée d’une fenêtre en cintre brisé agrandie au XVIIe siècle. L’abside semi-circulaire complète l’édifice à l’est. Elle est aveugle, simplement flanquée de deux contreforts à talus (postérieurs à sa construction), et munie d’une corniche chanfreinée, semblable à celle de la travée supportant le clocher. Celui-ci est de plan carré, sur trois niveaux. Le premier est ouverte ouvert d’une simple baie plein cintre sur chaque face, dont celle à l’ouest donne sur la nef est sert d’accès au clocher. Les deux autres étages sont ouverts de baies géminées à retombée médiane sur des colonnettes aux chapiteaux sculptés. La corniche du clocher est formée de deux rangées de pierres plates, et supporte une courte pyramide à quatre pans couverte de laves, comme les renforts et l’abside. La nef est, elle, couverte de tuiles plates.

  A l’intérieur, la chapelle a tout le charme des petits édifices romans de la région. La nef est entièrement dallée. Elle abrite de nouveau le mobilier propre à sa fonction, en plus d’une petite exposition sur l’activité métallurgique locale. La charpente a été rénovée et laissé laissée apparente. Le chœur est carrelé et surélevé de deux marches par rapport à la nef, de laquelle il est séparé par une grille de communion ornée d’ancres. La travée sous clocher s’ouvre via un arc en plein cintre épais retombant sur des impostes nues, sous lesquelles se trouvent des niches taillées en creux qui accueillaient les extrémités d’une ancienne poutre de gloire. Cette travée est voûtée d’une coupole sur trompes, et ses murs latéraux sont renforcés par des arcs de décharge, juste au-dessus des baies. Elle communique avec l’abside à l’est, via un arc en plein cintre semblable à l’arc triomphal. L’abside est voûtée en cul-de-four et outrepassée<ref>Guerreau</ref>, c’est-à-dire que son diamètre est plus large que son arc d’entrée (forme de fer à cheval). Cet Cette configuration tend à renforcer l’hypothèse d’un édifice fondé sur un plan très ancien.