Le hameau de Nancelle, aujourd’hui rattaché à la commune de [[La Roche-Vineuse]], est mentionné pour la première fois en 934 dans une charte de l'abbaye de [[Cluny]] (C 421), par la formule ''Actum Nantel''<ref>Rigault, Jean, ''Dictionnaire topographique du département de la Saône-et-Loire'',2008.</ref>. La mention de cet acte réalisé à Nancelle prouve deux choses : d’abord, que Nancelle est à l’époque assez peuplée pour qu’un acte s’y passe ; ensuite, que ce hameau et sa population ont des origines lointaines compte-tenu de la racine celtique du nom Nancelle, ''nant'', signifiant la vallée ou la source<ref>Guerreau, Alain</ref>. En effet, le hameau se situe dans une zone de forte activité dès l’époque gallo-romaine, notamment grâce au minerai de fer et à la carrière de craie présents localement. Ces gisements entraînent donc des activités métallurgiques et minières qui se poursuivent jusqu'au Moyen-Age.
L’église Saint-Martin est quant à elle mentionnée pour la première fois en 962 dans une charte de Cluny (C 1139), avec la formule ''in Nova Cella, capella Sancti Martini''. Cette charte rend compte du don par l’évêque Adon d’une ''ecclesia'' et de cinq ''capellae'' à Maïeul, abbé de Cluny, dont celle de Nancelle. La chapelle devient par la suite église paroissiale, tout comme les autres ''capellae'' et l’''ecclesia'', en lieu de [[Massy]], [[Mazille]], [[Saint-Sorlin]] et [[Senecé]] (seule la chapelle Sancti Germani disparait). On retrouve ensuite la ''capella Sancti Martini'' dans des chartes du XIe<ref>C 2831, C4143</ref> siècle, avec la localisation ''Nova Cella'', en tant que partie du doyenné Saint-Martin-des-Vignes (le nom de Nancelle est alors latinisé, comme il est usuel à l’époque). Elle devient ''Ecclesia Nancella'' en 1412, et le hameau est finalement modernisé en « Nancelles » en 1666.
L’origine exacte de l’édifice est cependant incertaine. La densité de population à Nancelle laisse penser qu’un lieu de culte païen se trouve à cet endroit dès l’époque paléochrétienne. Une première église lui aurait succédé, dont le plan pourrait remonter au VIIIe siècle<ref>Guerreau, Alain. Le plan outrepassé de l’abside tendrait à supporter cette hypothèse.</ref> au plus tard. L’église Saint-Martin, telle qu’elle demeure aujourd'hui, aurait ainsi été construite, ou plutôt restaurée<ref>Ibidem</ref> sur ce plan au Xe siècle, peu avant la donation à Maïeul, afin d’accommoder la population encore dense du fait des activités locales. Au XIIe siècle, l’édifice est vraisemblablement remanié, notamment la partie supérieure du clocher. En 1350, l’église semble avoir été fortifiée<ref>Bernard Laymet</ref> suite à la Guerre de Cent ans, qui a vu les clercs et habitants contraints de se défendre par eux-mêmes. Le bâtiment local le plus adapté à la défense est alors choisi et fortifié, comme ici l’église<ref>Mr Laymet fait un parallèle avec l’[[Eglise Saint-Hippolyte à Bonnay]], elle aussi fortifiée.</ref>. Ainsi, les baies des deux premiers étages du clocher sont obturées et ce dernier devient tour de garde, sans altérer la fonction cultuelle de l’édifice.