Des vestiges témoignent d'un bâti ancien complexe. Les plus récentes recherches archéologiques invitent à dater l'église actuelle de la fin du XIIe s. et du début du XIIIe s., en soulignent sa typicité... cistercienne. Un petit oratoire fut probablement édifié sur la tombe de saint Marcel, fondateur de la foi chrétienne en Bourgogne, à qui l'église est dédiée. Gontran, roi de Bourgogne (+ 593), petit-fils de Clovis, choisit le lieu pour sa sépulture ; il fonda un monastère et fit embellir une "magnifique" basilique. Possession des évêques puis des comtes de Chalon, l'abbaye devint à la fin du Xe siècle l'un des prieurés de l'abbaye de Cluny (fondée en 910), et conserva ce statut jusqu'à la Révolution française.